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" Procédé pour produire des réactions chimiques ".
La présente invention se rapporte au procédé de traitement de solides broyés, de fluides, y compris de z, ou des. deux afin de produire des modifications physiques, chimiques ou à la fois chimiques et physiques dans lesdits solides, les fluides, ou à la fois les solides et les fluides.
Essentiellement, il s'agit d'un procédé dans lequel des solides broyés enfermés sont fluidifiés, par mise en suspen- sion dans un courantfluide, et sont traités sous cette forme par un fluide dont la nature, la température ,la.;pression, l'humidité et d'autres constantes, de même que la vitesse, sont réglées.
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La portée réelle de l'invention ressort davantage des nombreux objets dont certains sont cités ci-dessous : (1) Carboniser du charbon par passage d'un fluide à une tempé- rature convenable fixée a l'avance, au travers d'une masse fluidifiée d'un charbon broyé convenablement.
(2) Enlever l'humidité ou une autre substance volatile de solides fluidifiés.
(3) Provoquer un changement chimique dans la composition d'un fluide en le faisant passer au travers d'une masse fluidifiée de solides, par exemple, une production de noir de carbone à partir de gaz naturel.
(4) Régler l'allure du chauffage et par conséquent la nature et le rendement des sous-produits dans la carbonisation du charbon.
(5) Le réglage de la température d'une masse de solides utilisés dans le traitement des gaz, ou d'une manière plus gé- nérale, dans le traitement des fluides.
D'autres objets deviendront plus apparents au cours de l'exposé fait au cours d'une partie ultérieure des spéci- fications; de même, le champ d'application de l'invention deviendra évident.
En bref, le procédé selon l'invention consiste à faire passer un courant d'un fluide particulier dont la composition la température, la vitesse, l'humidité et la densité sont prédéterminées, sous pression réglée dans une masse de solides broyés, ou l'équivalent, provoquant la fluidification de la masse de solides, c.à.d. son comportement comme un liquide, et pro- voquant des modifications physiques, chimiques, ou à la fois physiques et chimiques, dans les solides ou le fluide ou à la fois dans lessolides et le fluide.
Considérant, à titre d'exemple, la carbonisation du charbon, on sait que, par suite des difficultés de transmission de chaleur, le développement commercial des procédés de carbo- nisation à basse température a été 'grandement contrecarré.
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Le fait de dépendre du passage de la chaleur au travers des parois réfractaires avec un faible gradient de température, a rendu nécessaire la dépense de sommes d'argent prohibitives pour des appareils de carbonisation. En appliquant le procédé on peut, pour autant qu'on le sache, aboutir au résultat cher- ché à moins de frais et avec plus d'efficacité qu'avec les autres procédés, et avec un réglage de température absolu, en faisant passer de bas en haut un fluide chauffé au travers d'une masse de charbon broyé, contenvedans une chambre conve- nable, avec une vitesse telle que les particules ou les mor- ceaux de charbon soient en mouvement continuel, la masse ac- quérant, à l'état @@ fluidifié, les propriétés d'un liquide bouillant.
Si les particules sont toutes de dimension uniforme, 1/4 de pouce comme diamètre moyen, il y a tendance pour les plus chaudes à s'élever et pour les particules plus froides et plus lourdes à descendre au fond. La température du fluide peut être élevée avec le temps jusqu'à n'importe quel maximum désiré et lesparticules de charbon ne deviendront donc pas surchauffées. Le fluide utilisé dans cet exemple peut être une vapeur ou un gaz (combustible, inerte, ou un gaz ou des mélanges de gaz contenant de l'oxygène), de la vapeur ou un autre fluide convenable;certains des produits dégagés peuvent être remis en circulation comme moyen de réglage de la tempé- rature et de l'atmosphère dans la chambre.
Dans cet exemple, les solides sont modifiés physique- ment et chimiquement et le fluide primaire ce initial peut être modifié ou non, selon la température atteinte et la composition du fluide en question. Ainsi, si l'air est le milieu fluide, une partie de son oxygène est consumée par l'oxydation du charbon ; lorsque le milieu fluide est la vapeur, il réagit aux températures élevées selon la réaction bien connue du gaz à l'eau.
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Un autre exemple, est le passage de mélanges d'hydrogène et d'oxyde de carbone dans une masse de particules fluidifées d'un catalyseur cuivre-fer (ou tout autre catalyseur convena- ble) à une température de 300 C environ (200 à 450 C). Ici le milieu fluidifiant comprend le CO et le H2mélangés qui réagisssent l'un sur l'autre en donnant des hydrocarbures ou d'autres composés et la nature chimique des solides reste pratiquement inchangée. La réaction étant exothermique, la température a une tendance à s'élever dans la masse. Une aug- mentation de la vitesse du fluide abaisse la durée et l'inti- mité de son contact avec le catalyseur et c'est pourquoi le rendement de la réaction baisse et la tempétature s'élève.
De cette façon, ou en faisant circuler le catalyseur fluidifié au travers d'un système réfrigérant, la température du cataly- seur est facilement réglée. Les gaz remis en circulation peu- vent d'abord être refroidis. En faisant passer du gaz naturel ou un autre hydrocarbure gazeux ou hydrocarbure vaporisé, de bas en haut au travers d'une masse de matière carbonée, ou d'un autre catalyseur, fluidifiée et chauffée, il est possible de produire du noir de carbone dans des conditions optima, puisque la température et la concentration des gaz et la durée de contact peuvent être réglées avec précision dans des limites définies,tout comme la température de la masse de catalyseur.
Lorsque du charbon anthraciteux, du coke ou une autre matière
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carbone9eapable de résister à une haute tempra,tu,"ra, et apte à être fluidifiée, est utilisée comme catalyseur, l'air ou un autre agent oxydant peut être introduit avec les gaz @ trai,; ter, ou bien l'opération peut être intemittente.
Ayant brièvement décrit les aspects marquants par- ticuliers à l'opération du procédé, selon l'invention, une des cription plus détaillée est donnée dans ce qui suit, avec référence particulière, aux dessins. Ce procédé se prête à être utilisé dans de nombreux et divers types d'appareils mais il entre dans l'intention de l'inventeur de n'en présenter que quelques-uns,de ceux-ci, de façon largement schématique,' en ne
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se limitant pas aux types indiqués, dans la mise en pratique de la présente invention. , la fig. 1 est une -élévation schématique montrant une forme d'appareil pour réaliser le procédé, relié à un survolt teur et à un appareil de condensation et d'épuration; une partie de la paroi de la chambre as réaction a été enlevée afin de montrer l'intérieur.
La fig. 2 est une élévation schématique d'une modifica- tion de la chambre à réaction, disposée pour la circulation des solides fluidités.Une partie des enveloppes a été enlevée afin de montrer l'intérieur en coupe.
Dans la fig.l, le numéro 1 désigne la chambre de réaction contenant une masse de solides fluidifiés 2 et présen- tant une admission pour solides 5, reliée à la trémie 4. Un mécanisme mélangeur est indiqué par 9 et est actionné par un moteur 10. La soupape de commande d'évacuation 11 règle la distribution des solides dans un récepteur 12. Une autre sou- pape d'évacuation est indiquée par 6. Une grille, une plaque perforée, une plaque poreuse ou quelque chose d'équivalent est indiqué par 7. Les fluides venant de 1 se déversent par la sortie 13 reliée à un absorbeur de poussières 14, un condenseur ou un échangeur de chaleur 15, un épurateur ou un séparateur 16 et une soupape d'échappement 18. Un moyen pour propulser le milieu de fluidification, -- le fluide-- est indiqué par 17.
D'autres soupapes dans le système sont indiquées par 19 jusqu'à 43 inclusivement. Ainsi, un moyen pour faire recirculer une partie ou la totalité du fluide consiste à régler les soupapes 19,20,24, 25 et 26, les soupapes 22,35,36 et 40 étant fermées. En fermant les soupapes 24,27,21 et 19 et en ouvrant les soupapes 18,20,22,23 et 25, la chaleur sensible du fluide sortant est partiellement recouvrée à partir du condensateur ; la soupape 26 peut être fermée ou partiellement fermée , selon le montant relatif de recirculation désiré. De même, les soupapes 40,27,35,36,21 ou leurs-: combinaisons peu-
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vent être ouvertes ou partiellement ouvertes pour produire un effet désiré en ce qui concerne le replace de la tempéra- ture et le règlage de la composition du fluide entrant dans la chambre 1.
Des vapeurs, particulièrement de gaz autres que l'air, peuvent être admises en 1 par les soupapes 35 et 36.
Dans la fig. 2, on utilise le même système de numé- rotage que dans la fig.l. 5A est une soupape semblable à 5 et 2A est une masse de solides divisés qui peut ou non être fluidifiée. La masse de solides 2 est à l'état fluidifié durant l'opération tout comme avec l'appareil indiquéà la fig.l.
L'absorbeur de poussières 14 possède des moyens pour empêcher que les particules, entraînées par le passage dugaz venant de la chambre 1, ne soient transportées en 15 ; cesmo- yens sont représentés en coupe sur la fig. l par les chicanes 44 et 45.
En considérant le procédé, en particulier lorsqu'il s'agit de la carbonisation de substances carbonées telles que le charbon, lignite et analogues, l'opération se rapportant à la fig. 1 se passe comme suit : On suppose que la substance à traiter soit un charbon ne formant pas de coke, ou du lignite, et que toutes les soupapes énumérées soient fermées, excepté 38 qui fournit un petit regard de contrôle sur les matières initiales prémélangées, c.à'd. du gaz mélangé à suffisamment d'air pour assurer sa combustion ; onouvre la sou- pape 5 et on admet le charbon convenablement broyé, ayant comme dimension moyenne 1/8,1/4 de pouce, ou plus, ou moins, et de préférence, de dimension uniforme, dans la chambre de réaction 1, à une profondeur d'environ 2 pieds.
On ferme alors la soupape 5, @2ouvre les soupapes 18,19,32 et 26 et on met la soufflerie 17 en action. Le dispositif mélangeur 9 peut être abaissé jusqu'à ce qu'il soit,dans une -oosition telle qu'il mélange le charbon, le moteur 10 ayant préalablement été mis en route. Les moyens mécaniques pour élever ou abaisser 9 ne sont pas détaillés parce qu'on ne revendique aucune nouveauté brevetable à ce sujet et aussi parce que l'on désire éliminer les détails¯inutiles. Un arbre.; extérieur creux, avec un
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'arbre intérieur équilibré supportant les palettes mélangeuses constitue un des moyens pour réaliser le but. Le mélangeur évite la formation de vacuoles dans le fond et aide au démar- rage pour produire une masse de charbon fluidifiée.
De l'air passe par26. 17 et la tuyère 3 et au travers de la masse fluidi- fiée. L'air est l'agent fluidifiant, à cette étape ou stade du procédé de l'exemple. Un feu est ensuite allumé dans la .masse. Si l'air utilisé est chaud, l'inflammation sera sponta- née. Sinon, il est préférable de l'amorcer. Ceci peut s'effec- tuer en ouvrant la soupape 37 qui admet du gaz mélangé brûlant et de l'air dans la chambre 1, en dessous du fond poreux 7. Un équilibre de pression convenable est maintenu dans les sternes de gaz et d'air, et les particules de charbon deviennent bientôt chaudes et ignées. La soupape 37 est alors fermée.
La chambre peut maintenant être considérée comme un four dans lequel la masse fluidifiée se comporte comme un liquide bouillant, les particules de combustible solide étant en mouvement en suspension. La combustion et la vitesse de combustion sont maintenant réglées en limitant la quantité d'air introduite et en introduisant d'autres fluides comme, par exemple, de la vapeur ou des gaz chauds, combustibles ou non combustibles. Cette dernière opération peutt s'effectuer en commandant et en réglant les soupapes 26,19,20,24,25,34, 35,
36,39 et 40. Puisqu'il est désirable de maintenir les solides à l'état fluidifié, la vitesse et l'écoulement du fluide seront maintenus dans la tuyère 3. Du nouveau charbon est admis pério- diquement ou continuellement par la soupape 5.
Le mélangeur
9 est relevé, car l'addition de combustible élève le niveau delagmasse fluidifiée, ou même il peut être sorti entièrement de la masse ; cen'est habituellement pas nécessaire une fois que la masse est convenablement fluidifiée, à moins que le fortement charbon ne se transforme/en coke et ne soit introduit dans la chambre 1 à une vitesse trop grande.
La soupape 26 est une soupape de commande d'air primaire. Lorsqu'on utilise de l'air préchauffé,il peut être
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introduit par 21, le condenseur 15, les soupapes 22 et 25, le propulseur ou la soufflerie 17. Le gaz peut être préchauffé de la même manière. Le gaz et l'air peuvent à la fois être préchauffés dans la chambre 15, d'une manière similaire, en introduisant l'air par la soupane 40 et le gaz par 20. D'autres combinaisons possibles sont mises en évidence par la fig.l. la vapeur est introduite pn 1 par la soupape 34.
Bien que cette méthode pour carboniser du charbon comprenne essentielle- ment le passade de gaz chauds du bas vers le haut au travers d'une couche de charbon fluidifié, il n'est pas moins vrai que les étapes, à partir de ce moint, sont quelque peu facultati- ves, dépendant des résultats cherchés. Par exemple, lorsqu'on désire un rendement maximum en sous-produits condensables, on peut avantageusement utiliser de la vapeur comme fluide de chauffage, soit avec unp eu d'air ou de gaz, soit seul soit avec addition simultanée d'air et de gaz, ce dernier étant brûlé par l'air, et lachaleur dégagée utilisée pour la carboni- sation. A n'importe quelle vitesse, le combustible est maintenu fluidifié et on fait passer des gaz chauds au travers de la masse jusqu'à ce que le degré de carbonisation désiré soit atteint.
Les vapeurs et produits gazeux sont enlevés de 1 par 13, l'échangeur de chaleur 15, le séparateur 16 et sortent par 18 et 19. Lorsqu'on cherche à faire recirculer une partie du gaz, la soupape 19 est est en partie fermée, la soupape 20 en partie ouverte, et les soupapes 1 24 et 25\[sont ouvertes.
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Lorsqu'on BfieFeHe à fatte FeBÍFeBeF ene p**##à B désire utiliser du gaz préchauffé remis en circuit, la soupape 24 est fermée, les soupapes 20,22,23 et 25 sont ouvertes. Lorsqu'on désire comme fluide de l'air préchauffé, les soupapes 23,24,26 et 27 sont fermées et les soupapes 21,22 et 25 sont ouvertes.
Le procédé est rendu continu en éliminant simplement un peu du produit solide de la carbonisation, du coke ou du fusain dans le présent exemple,par la soupape 11 et en chargeant du combustible à traiter par la soupape 5. Après avoir fermé
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la soupape 5,%le fusain peut être refroidi en faisant passer un fluide réfrigérant par la soupape 29, la chambre 12 et la sortie 30 et en le laissant échapper ultérieurement par la soupape, 28.
Puisque la température tend à s'égaliser d'elle-même dans toute la masse fluidifiée - tendance à l'homogénéité - par le fait que les. particules les plus froides tendent à descendre dans la zone de combustion et que les particules chaudes tendent à s'élever, on peut utiliser un thermocouple et un pyromètre pour indiquer l'état et le degré de carbonisa- tion, le premier étant placé dans la masse fluidifiée. Par raison de simplicité, le pyromètre ou le thermocouple ne sont pas représentés sur les figures.
Il est possible ,dans la disposition indiquée à la fig. 1, d'utiliser comme fluide, (le l'air, de la vapeur, du gaz, une vapeur ou un autre fluide ou des mélanges de fluides, et ils peuvent être chauds ou froids ou varier avec le temps.
Pour expulser une certaine matière volatile hors du charbon ou d'autres solides, on peut avantageusement utiliser des liquides vaporisés tels que le benzène, le phénol, le toluène ou d'autres hydrocarbures et composés d'hydrocarbures. Le choix de l'hydrocarbure ou du produit semblable peut à la foisdépendre et varier avec la température et l'action dissol- vante désirée.
Il est constaté que, lorsque certains acides ou agents oxydants sont utilisés pour traiter le charbon fluidi- fié, les propriétés de gonflement du charbon sont éliminées et on obtient un produit à basse température qui peut être mélangé à un charbon bitumeux, mis en briquettes avec ou sans liant et ultérieurement carbonisé, la briquette carbonisée étant plus dense que le coke ordinaire. Nous avons trouve que SO2,SO4H2, C12,HC1, NO3H les oxychlorures et d'autres produits contribuent à atteindre ce résultat. Ils peuvent être utilisés sans air, seuls ou en mélanges. Le procédé, pour lequel il est demandé un brevet, comprend le passage de telles
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substances au travers d'une couche de solides fluidifiés.
La fig.l indique des moyens pour amener un fluide à fluidifier une masse de solides divisés, des moyens pour faire passer un fluide prédéterminé ou un mélange de fluides au travers de ladite masse fluidifiée, des moyens pour régler la température de la masse en question, des moyens pour changer milieu à volonté la composition et la nature du fluide et du/fluidi- fiant, des moyens pour introduire des solides dans la masse @@ fluidifiée, et des moyens pour évacuer les fluides et les solid.es hors de la chambre de réaction. Dans la carbonisation ou la distillation du charbon ou du schiste, la chambre 15 désignée comme échangeur de chaleur, peut être un condenseur et la chambre 16, un épurateur.
Un autre exemple du fonctionne- ment du procédé selon l'invention est constitué par la produc- tion de noir de carbone à partir d'hydrocarbures. Au cours de ce procédé, on a rencontré une difficulté pour éviter la forma- tion de "noir de lampe ", une substance carbonée, de couleur brun-noir à grisènoir, comprenant des particules qui sont, en général, plus grandes que celles du véritable noir de carbone.
Le secret réside dans le réglage précis des températures durant la décomposition - cracking - des vapeurs d'hydrocarbu- res et dans le réglage du temps (durée) de leur exposition à l'action de la chaleur. Lorsque ces vapeurssont amenées en contact d'une masse fixe de matières réfractaires, accidentées ou assemblées de manière lâche, chauffées par in- termittence et contenues dans une chambre ordinaire, la tem- pérature superficielle des matières réfractaires décroît tellement rapidement qu'il se forme habituellement du noir de lampe plutôt que du noir de carbone.
Lorsqu'on fait passer les vapeurs au travers d'une couche de combustiblessolides chauffée de façon similaire, il se forme une quantité de noir de carbone plutôt faible.', mais il n'est pas facilement récupéré; la plus grande partie adhère à la surface du combus- tible ou reste dans les interstices et est ultérieurement consumée (brûlée) durant la phase de chauffage de l'opéra- tion, notamment durant la période d'insufflation d'air.
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Lorsqu'on fait passer les vapeurs ou des hydrocarbures gazeux au travers d'une masse fluidifiée de particules ou de morceaux fortement chauffés de substance solide - catalyseur - on obtient une bonne qualité de noir de carbone et une pro- duction élevée de celui-ci. Heureusement, le coke et certaines autres substances combustibles catalysent les réactions et, ainsi, cela revient simplement à régler la température de la surface du catalyseur. Du fer, de l'oxyde de fer et d'autres substances jouent égalément le rôle de catalyseurs dans la production du noir de carbone. Un peu d'air ou un autre agent oxydant peut être utilisé pendant (simultanément) l'introduc- tion des vapeurs d'hydrocarbure ou alternativement par rapport à ces dernières vapeurs.
La concentration et la température du gaz et du catalyseur peuvent être facilement réglées à l'aide de moyens déjà décrits, y compris la remise en circu- lation des gaz, et par la combustion des gaz en contact avec la nasse fluidifiée.
Lorsqu'on utilise un catalyseur autre qu'une substance combustible, dans la chambre 1, la température peut être main- tenue uniforme soit par remise en circulation du catalyseur soit en utilisant l'air ou un autre fluide dont la température est réglée. De l'air froid peut être introduit par 26 et 17 et de l'air chaud par 21,15,22,25 et 17. Il convient de maintenir une température bien définie dans la masse fluidifiée durant le cracking des hydrocarbures et les températures optima ne sont pas identiques pour tous les gaz et vapeurs, mais sont déterminées expérimentalement. Tous les détails de l'opération ne sont pas reproduites ici puisque les revendications ne se limitent pas à cette opération mais plutôt au procédé d'une façon générale.
Toutefois, on notera que dans cet exemple, l'usage d'un dispositif mélangeur 9 n'est pas nécessaire, particulièrement lorsque les solides ont été fluidifiés.
La dimension moyenne des solides - coke ou équiva- lent - sera petite, de préférence inférieure à 3/4 pouce; le
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diamètre moyen de l@pouce est très satisfaisant. Les solides sont introduits dans la chambre de réaction par la soupape 5, si nécessaire, et sont enlevés de temps en temps pour éviter l'accumulation de mâche fer. Avec du coke de pétrole ou du char- bon fortement anthraciteux, il ne faut pas faire aussi atten- tion car il s'accumule moins de cendres.
Au cours de la production continie de noir de carbone à partir d'hydrocarbures tels que du méthane ou un gaz naturel, l'hydrogène est éliminé comme produit de décomposition, la ré- action étant symbolisée ou représentée par l'équation suivante .
CH4=C+ 2H2.
Lorsque l'hydrogène recircule. et qu'on introduit simultanément de l'air dans la chambre de réaction (indiquée par 1 à la fig.l) une quantité appréciable de l'hydrogène est brûlée, formant de la vapeur d'eau. Ceci semble contribuer à produire du noir de carbone très supérieur tout en constituant les moyens permettant de fournir la chaleur nécessaire. En d'autres mots, la présence de vapeur H20 paraît exercer un effet favorable sur la qualité du noir produit. La consommation du carbone solide comprenant la masse fluidifiée est très faible lorsque l'énergie thermique nécessaire au procédé est fournie par l'hydrogène.
Dans ces conditions, on obtient de petites quantités de sous-produits comprenant du benzène, variables en composition et quantité, selon la température employée dans la masse fluidifiée et la nature de l'hydrocarbure utilisé comme matière première. Le noir de carbone est séparé des gaz et des autres produits à l'aide de moyens bien connus.
Le schiste huileux peut être traité par ce procédé et fournir des rendements élevés en huile. Il est préférable, dans ce cas, d'utiliser de la vapeur comme fluide, ou compo- sant de fluide, et de brûler ,une partie des gaz remis en cir- culation en tant que moyen pour chauffer les schistes par contact. Une combustion excessive et l'emploi d'une quantité excessive d'air sont à écarter pour éviter la combustion de quantités appréciables de l'huile de schiste. Il est à noter qu'on prévoit des moyens pour admettre le gaz de chauffage
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avec juste assez d'air pour sa combustion et per suite dans l'usagé de gaz remis en circulation,de vapeurs d'hydrocarbures sélection- nés, de vapeur de mélanges ou analogues, il n'est pas néces- saire du'une combustion excessive ait lieu dans la chambre de réaction.
La combustion constitue un moyen de réglage dans le procédé selon l'invention et la combustion est suscitée de manière à appliquer la chaleur dégagée, aux endroits où de la chaleur est requise, sans surchauffer des parties de la masse fluidifiée? On notera que par un simple fonctionnement de soupapes la combustion peut réaliser un cycle alterné ou un cycl e continu avec l'introduction de fluides dans la masse fluidifiée, et que les solides fluidifiés, en tout ou en partie, peuvent être introduits à volonté dans la chambre de réaction, même pendant l'opération. selon
Dans la mise en pratique du procédé de l'invention on ne se limite pas à l'utilisation de l'appareil particulier représenté aux figures.
Divers autres types d'appareils peuvent être facile- ment conçus et qui fonctionneraient aussi bien. Par exemple, les solides peuvent être introduits dans la chambre de réaction pratiquement par le fond, plutôt que par le haut, et de même, les solides peuvent être périodiquement évacués par la haut au lieu de l'être par le fond. Des fluides peuvent être introduits en des points situés à mi-chemin entre le sommet et le fond de la masse fluidifiée en plus de cex introduits par le fond. Quoi qu'il en soit, le procédé comprend la flui- dification de solides dans un fluide mobile - courant de fluide- et le réglage de la nature, de la quantité, de la vitesse et de la température du fluide.
Le fluide est, de préférence, gazeux, et peut comprendre une diversité de gaz, dont certains peuvent réagir les uns sur les autres dans des conditions de température appropriées et dont certains peuvent réagir avec une partie des solides. La sélection des gaz peut être faite dans l'idée de régler la température dans la masse fluidifiée.
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Par exemple, en utilisant du charbon comme matière solide, on peut utiliser un gazcombustible et de l'oxygène ou de l'air, avec ou sans vapeur ou produits inertes, et la quan- tité d'oxygène utilisé peut être juste celle qui est requise pour maintenir la température désirée du courant de fluide, en contact avec les solides. Une fois de plus, un excès d'oxygène peut être utilisé/sous l'effet duquel une partie de la matière volatile du charbon entre en réaction chimique avec lui.
On peut obtenir des résultats en faisant passer un fluide au travers d'une masse fluidifée de solides, résultats qui ne peuvent pas être facilement reproduits en faisant passer les fluides au travers d'une couche fixe de solides.
Ceci est particulièrement vrai, eu égard à l'uniformité de température de la surface des solides ; de vacuoles et de canaux dans la masse, l'uniformité de contact des solides avec le fluide, le temps requis par le processus et la facilité avec laquelle une réaction chimique peut être amenée à se produire dans une grande masse de solides. La durée et 1"inti- mité du contact sont réglables, dans le procédé de l'invention, sans changer d'autres conditions. Ceci n'est pas le cas lorsqu'on détruit une couche fixe de solides par un fluide.
En ce qui concerne le charbon comme substance solide fluidifiée, la dimension relative et la aensité des diffé- rentes particules importent beaucoup quant à leur localisation dans la masse fluidifiée; les particules les plus lourdes (les plus denses) et les plus grandes tendent à descendre vers les niveaux plus bas que les particules moins denses ou plus petites. En conséquence, dans le procédé selon l'in- vention, il est prévu une méthode, simultanée à la carboni- sation , pour séparer les " arêtes ", les pierres etc., du coke, abaissant ainsi la teneur en cendres.
Bien qu'il n'entre pas dans l'intention de l'inven- teur de se limiter en ce qui concerne lestempératures, dans la réalisation du procédé, il attire l'attention sur le fait que, dans beaucoup d'exemples dans lesquels le procédé est
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est applicable, on désire de hautes températures. Dans des opérations de séchage où il s'agit d'éliminer l'humidité, on préfère une tempétature supérieure à 212 F à des tempéra- tures plus basses. Dans la carbonisation du charbon à basse température, la température maximum préférée peut être compri- se entre 750 F et 1400 F. Il est bien entendu qu'en traiteet mentar charges la température du courant de fluide peut être augmentée ou modifiée autrement durant le processus.
Pour provoquer des réactions chimiques entre CO et H2, on préfère habituellement une température située au voisinage de 2750 à 400 C. Pour faire du noir de carbone, des températures beaucoup plus élevées sont habituellement nécessaires.
Il est probablement évident que la température du gaz ou du fluide quittant la chambre de réaction peut être fort élevée. Pour cette raison, la chambre 15, fig.l, est désignée comme échangeur de chaleur avec l'intention d'inclure dans ce terme une chaudière qui peut, sous certaines condi- tions, être @utype préféré d'échangeur de chaleur.
Lorsque des substances condensables telles que du benzène, du phénol, de l'eau, etc., sont sutilisé comme composants du fluide introduit dans la masse fluidifiée 2, fig.l, la chambre 15 peut être utilisée pour les volatiliser en utilisant la chaleur perdue disponible des produits de réaction gazeux. Le moyen pour admettre séparément de telles substances dans 15, n'est pas indiqué de manière distincte.
Avant d'établir les revendications spécifiques, on désire attirer l'attention sur un autre cas particulier, dans lequel il est possible d'employer le procédé de l'inven- tion et que l'on pense être inclus dansun sens large, dans les revendications. Lorsque les solides fluidifiés comprennent un catalyseur approprié, tel qu'un catalyseur contenant du Ni, du CO, du A1203, leurs mélanges ou d'autres substances connues pour catalyser les réactions entre la vapeur et les hydro- carbures, il est possible, à une température relativement basse-inférieure à 1000 C - de produire du CO et de l'H2.
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Les réactions sont représentées par les équations suivantes ;
CH4+H2O=CO+3H2
CH4 +2H2O CO2 + 4H2
CH4 + CO2= 2CO + 2H2
C2H6+ 2H2O= 2CO + 5H2
C2H4 +2H2= 2CO + 4H2 La réalisation complète des réactions vers un équilibre, varie avec la température et le temps de contact des produits de réaction avec le catalyseur, et aussi avec les concentra- tions relatives des gaz de réaction.Ces facteurs qu'il est possible de régler dans le procédé selon l'invention, consti- tuent une caractéristique que l'on croit être nouvelle et neuve.
Dans certaines réactions exothermiques, où de hautes températures favorisent une réaction particulière, le produit cherché se décompose par exposition prolongée à des surfaces fortement chauffées. De telles réactions peuvent être con- duites avantageusement grâce au procédé de l'invention. Le ternes de contact peut être réduit au point optimum.) ainsi qu'il est déterminé expérimentalement pour un cas particulier, en accroissant la vitesse des corps réagissant au travers de la masse fluidifiée. Comme exemple, d'une telle réaction, on a : 2CH4 = C2H2 + 3H2. Une équation similaire peut être écrite pour la production du benzène. Dans chaque cas, une faible pression est plus favorable pour les réactions qu'une haute pression.
Les rendements sont plus élevés lorsque la pression est réduite, mais des rendements appréciables peuvent être obtenus dans des conditions de pression existant lorsqu'on effectue le procédé sans employer de pression inférieure à celle de l'atmosphère. Toutefois, il est à noter qu'une pression inférieure à celle de l'atmesphère réduite peut être maintenue dans la masse fluidifiée, par élimination des pro- duits hors de l'enceinte, au lieu d'employer la pression comme agent de @fuidification.
On a trouvé quen lorsqu'un catalyseur prêt à l'emploi, contenant ou- comprenant du fer, est utilisé dans 1 comme agent en suspension, il est possible de produire du noir de carbone
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@'une qualité excellente à partir de gaz pauvre, de gaz de haut fourneau, de gaz à l'eau ou d'autres gaz contenant de l'oxyde de carbone, par la réaction chimique catalysée repré- sentée par l'équation 200 = C02 + C + 71.000 B.t.u., ce qui se produit facilement aux températures élevées. La tempéra- ture préférée est supérieure à 200 C etinférieure à 400 C.
La réaction est exothermique et doit se produire dans des limites définies car, aux hautes températures laréaction in- verse se produit. De plus, à environ 400 C, le fer commence à jouer le rôle d'agent réducteur vis-à-vis du C02. Des gaz refroidis, de la vapeur, ou les deux, peuvent être utilisés comme moyen de réglage de la température. Au cours de la production de fer spongieux, on obtient un produit uniforme, lorsque l'oxyde de fer (matière première) est traité en suspension dans un fluide, comme décrit.
Il a été trouvé que pour maintenir une masse de solides en suspension dans un courant croissant d'un fluide aériforme, il faut une vitesse minimum définie pour le fluide, laquelle est une fonction de divreses varia@@@bles. Considérant les particules de solides comme étant des sphéres, cette vitesse minimum s'exprime par la formule mathématique, en substance comme suit :
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v = / SrDg où : v = vitesse du fluide aériforme se trouvant en 1, en cm/sec. r = le rayon moyen de particules solides fluidifiées, en cm.
D = la densité du solide comprenant les particules d = la densité du fluide aériforme, et g = l'accélération due à la gravité en unités CGS.
Cette relation ne se maintient pas exactement pour des par- ticules de forme irrégulière pour lesquelles un écoulement quelque peu plus fluide est exigé.Au démarrage, sans aide mécanique, une pression est créée en dessous de la plaque perforée 7, équivalente à une valeur supérieure au poids de)la masse de solides. Par.exemple, si le poids d'une colon- ne de la masse ayant une section d' 1 pied, est.de lOOlivres
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,le pression nécessaire pour faire démarrer l'opération est sup4rieure à roof @livres par pied carré. Après que les particules sont fluidi- fiées, la pression tombe en dessous de la pression initiale.
Des vitesse beaucoup plus grandes que la "vitesse d'éléva- tion " - vitesse de fluidification nécessaire - peuvent être utilisées avec des résultats satisfaisants. Toutefois, lors- qu'il y a une différence appréciable dans la dimension des particules, les plus fines sont soufflées plus facilement hors de la chambre 1. On trouve, en utilisant du sable, à la température atmosphérique, dans une couche de 18 pouces de profondeur, que 50 pieds cubes d'air par minute, par pied carré de section de la masse (surface du support perforé) sont suffisants pour maintenir les particules dans un état fluidifié.
Une fois que l'opération à démarré, il est possible de régler l'écoulement des fluides passant au travers de 17 en commandant et en utilisant la soupape by-pass ou de dériva- tion, indiquée en 33 à la fig. 1.
Il a été question de " solides broyés " dans tout ce qui précède, mais le terme comprend de petites particules ayant les dimensions spécifiées indépendamment de la façon dont elles sont formées.
Bien que la fig. 2 présente une autre forme d'arpa- reil, ou plutôt une forme modifiée de l'appareil indiqué à la fig. l, le procédé tel qu'il y est effectué, est néanmoins considéré comme étant le même que celui qui vient d'être décrit. D'après la fig.2, la masse fluidifiée 2 peut être faite pour circuler automatiquement en ouvrant simplement les soupapes 8A et 8. Les solides fluidifiés débordent comme un liquide et descendent par 8A dans la chambre lA, comme indiqué en 2A, sortent de la chambre lA par la soupape 8 et retournent dans la chambre 1. :(::' écoulement du fluide par 3, dans la chambre 1, est à la fois le moyen pour fluidifier et faire circuler les solides.
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Le terme " masse fluidifiée " tel qu'il est utilisé ici et dans les revendications ne se rapporte pas à un gaz contenant des particules entraînées ni à un gaz au travers duquel les particules tmmbent sous forme de pluie comme dans la combustion ordinaire de combustibles pulvérisés; il est utilisé pour désigner un pseudo-fluide, tel que celui qui est formé en faisant passer un fluide aériforme de bas en haut au travers d'une masse pratiquement fixe de particules de petites dimensions, pratiquement uniformes, d'une matière solide, à une vitesse telle que les particules acquièrent une liberté de mouvement limitée, le tout ayant des propriétés physiques similaires à celles d'un liquide en ébullition.
Le "pseudo- liquide " est la masse fluidifiée ayant une densité beaucoup plus grande que celle du même fluide aériforme, avec les par- ticules entraînées de la même espèce de solide.
Donc dans une"masse fluidifiée", suivant le sens don- né ici, le déplacement linéaire des particules est beaoucoup plus faible que celui des particules entraînées dans un mi= lieu gazeux, et manière analogue, la concentration des parti- cules (masse par unité de volume) est plus grande dans le premier cas que dans le dernier. La " masse fluidifiée " peut ' être produite sous l'effet de la vitesse, en soufflant vers le haut une couche de solides initialement fixe (de préféren- ce des solides de dimension uniforme) à l'aide d'un fluide aériforme, à une vitesse telle que les particules desdits solides acquièrent un mouvement limité sans être entraînées dans le dit fluide, le fluide passant continuellement de bas en haut à travers ladite masse de solides.
Ceci différencie cette masse fluidifiée d'autres formes de suspension, pour autant qu'on le sache. L'avantage presque évident, résultant de l'emploi de la masse dense fluidifiée, est sa plus grande capacité calorifique, par unité de volume du récipient, que celle des suspensions des mêmes solides entraînés dans le fluide. Si de l'air est soufflé de bas en haut à travers une masse de sable meuble, dans les conditions de vitesse définies plus. haut, la masse de sable deviendra une " masse fluidifiée".
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"Process for producing chemical reactions".
The present invention relates to the method of treating ground solids, fluids, including z, or. two in order to produce physical, chemical or both chemical and physical changes in said solids, fluids, or both solids and fluids.
Essentially, it is a process in which enclosed crushed solids are fluidized, by suspending in a fluid stream, and are treated in this form by a fluid whose nature, temperature, pressure, etc. humidity and other constants, as well as speed, are set.
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The real scope of the invention is further apparent from the many objects some of which are cited below: (1) Carbonize coal by passing a fluid at a suitable temperature fixed in advance through a mass liquefied from a suitably ground coal.
(2) Remove moisture or other volatile substance from fluidized solids.
(3) To cause a chemical change in the composition of a fluid by passing it through a fluidized mass of solids, for example, production of carbon black from natural gas.
(4) Regulate the rate of heating and consequently the nature and the yield of the by-products in the carbonization of the coal.
(5) The control of the temperature of a mass of solids used in the treatment of gases, or more generally, in the treatment of fluids.
Other objects will become more apparent in the course of discussion in a later part of the specification; likewise, the scope of the invention will become evident.
In short, the method according to the invention consists in passing a current of a particular fluid whose composition, temperature, speed, humidity and density are predetermined, under controlled pressure in a mass of ground solids, or l 'equivalent, causing the mass of solids to fluidize, i.e. its behavior as a liquid, and causing physical, chemical, or both physical and chemical changes, in solids or fluid or both in solids and fluid.
Considering, by way of example, the carbonization of coal, it is known that, owing to the difficulties of heat transmission, the commercial development of low temperature carbonization processes has been greatly hampered.
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Depending on the passage of heat through the refractory walls with a low temperature gradient, has necessitated the expenditure of prohibitive sums of money for carbonization apparatus. By applying the process it is possible, as far as we know, to achieve the desired result at less expense and with more efficiency than with the other processes, and with an absolute temperature control, passing from bottom up a fluid heated through a mass of crushed coal, contained in a suitable chamber, with a speed such that the particles or lumps of coal are in continual motion, the mass acquiring, at the same time. fluidized state, the properties of a boiling liquid.
If the particles are all uniform in size, 1/4 inch as the average diameter, there is a tendency for the hottest to rise and for the cooler, heavier particles to sink to the bottom. The temperature of the fluid can be raised over time to any desired maximum and therefore the carbon particles will not become overheated. The fluid used in this example can be a vapor or gas (combustible, inert, or a gas or gas mixtures containing oxygen), vapor or other suitable fluid; some of the products evolved can be put back into operation. circulation as a means of regulating the temperature and the atmosphere in the chamber.
In this example, the solids are modified physically and chemically and the initial primary fluid may or may not be modified, depending on the temperature reached and the composition of the fluid in question. Thus, if air is the fluid medium, part of its oxygen is consumed by the oxidation of the carbon; when the fluid medium is vapor, it reacts at high temperatures according to the well-known reaction of gas with water.
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Another example is the passage of mixtures of hydrogen and carbon monoxide through a mass of fluidized particles of a copper-iron catalyst (or any other suitable catalyst) at a temperature of approximately 300 C (200 to 450 C). Here the fluidizing medium comprises the mixed CO and H2 which react with each other to give hydrocarbons or other compounds and the chemical nature of the solids remains practically unchanged. The reaction being exothermic, the temperature has a tendency to rise in the mass. An increase in the velocity of the fluid lowers the duration and depth of its contact with the catalyst, and therefore the yield of the reaction drops and the temperature rises.
In this way, or by circulating the fluidized catalyst through a refrigerant system, the temperature of the catalyst is easily controlled. The recirculated gases can first be cooled. By passing natural gas or other gaseous hydrocarbon or vaporized hydrocarbon from the bottom up through a mass of carbonaceous material, or other catalyst, fluidified and heated, it is possible to produce carbon black in optimum conditions, since the temperature and gas concentration and the contact time can be precisely regulated within defined limits, as can the temperature of the catalyst mass.
When charcoal, coke, or other material
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carbon capable of withstanding high tempra, tu, "ra, and capable of being fluidized, is used as a catalyst, air or other oxidizing agent may be introduced with the gases, or the operation may be be intermittent.
Having briefly described the particular salient aspects of the operation of the process according to the invention, a more detailed description is given in the following, with particular reference to the drawings. This process lends itself to being used in many and various types of apparatus, but it is the inventor's intention to present only a few, of these, in a largely diagrammatic fashion, without
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not limited to the types indicated, in the practice of the present invention. , FIG. 1 is a schematic elevation showing one form of apparatus for carrying out the process, connected to a booster and to a condensation and purification apparatus; part of the wall of the reaction chamber has been removed to show the interior.
Fig. 2 is a schematic elevation of a modification of the reaction chamber, arranged for the circulation of fluidized solids. Part of the casings have been removed to show the interior in section.
In fig. 1, the numeral 1 designates the reaction chamber containing a mass of fluidized solids 2 and having a solids inlet 5, connected to the hopper 4. A mixing mechanism is indicated by 9 and is actuated by a motor. 10. The discharge control valve 11 regulates the distribution of solids in a receiver 12. Another discharge valve is indicated by 6. A screen, perforated plate, porous plate or something equivalent is shown. indicated by 7. The fluids coming from 1 flow through the outlet 13 connected to a dust absorber 14, a condenser or a heat exchanger 15, a scrubber or a separator 16 and an exhaust valve 18. A means for propelling the fluidization medium, - the fluid - is indicated by 17.
Other valves in the system are indicated by 19 through 43 inclusive. Thus, one way to recirculate some or all of the fluid is to adjust the valves 19,20,24, 25 and 26 with the valves 22,35,36 and 40 closed. By closing the valves 24,27,21 and 19 and by opening the valves 18,20,22,23 and 25, the sensible heat of the outgoing fluid is partially recovered from the condenser; valve 26 may be closed or partially closed, depending on the relative amount of recirculation desired. Likewise, the valves 40,27,35,36,21 or their-: combinations little-
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may be open or partially open to produce a desired effect in terms of temperature change and control of the composition of the fluid entering chamber 1.
Vapors, particularly gases other than air, can be admitted at 1 through valves 35 and 36.
In fig. 2, the same numbering system is used as in fig.l. 5A is a valve like 5 and 2A is a mass of divided solids which may or may not be fluidized. The mass of solids 2 is in a fluidized state during the operation as with the apparatus indicated in fig.l.
The dust absorber 14 has means for preventing the particles, entrained by the passage of gas coming from the chamber 1, from being transported at 15; these means are shown in section in FIG. l by baffles 44 and 45.
Considering the process, in particular when it comes to the carbonization of carbonaceous substances such as coal, lignite and the like, the operation relating to FIG. 1 proceeds as follows: It is assumed that the substance to be treated is a non-coke-forming coal, or lignite, and that all the valves listed are closed, except 38 which provides a small check on the initial premixed materials, i.e. gas mixed with sufficient air to ensure its combustion; valve 5 is opened and properly ground coal, having as an average size 1/8.1 / 4 inch, or more, or less, and preferably of uniform size, is admitted into reaction chamber 1 at a depth of about 2 feet.
The valve 5 is then closed, the valves 18,19,32 and 26 are opened and the blower 17 is put into action. The mixing device 9 can be lowered until it is, in a position such as to mix the coal, the motor 10 having been started beforehand. The mechanical means for raising or lowering 9 are not detailed because no patentable novelty is claimed on this subject and also because one wishes to eliminate unnecessary details. A tree.; hollow exterior, with a
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A balanced inner shaft supporting the mixing paddles is one means of achieving the goal. The mixer prevents the formation of vacuoles in the bottom and assists in starting to produce a liquefied coal mass.
Air passes through26. 17 and the nozzle 3 and through the fluidified mass. Air is the fluidifying agent at this stage or stage of the process of the example. A fire is then lit in the mass. If the air used is hot, it will ignite spontaneously. Otherwise, it is better to prime it. This can be done by opening valve 37 which admits hot mixed gas and air into chamber 1, below porous bottom 7. A proper pressure balance is maintained in the gas and gas terns. air, and the charcoal particles soon become hot and igneous. The valve 37 is then closed.
The chamber can now be viewed as a furnace in which the fluidized mass behaves like a boiling liquid, the solid fuel particles being in motion in suspension. The combustion and the rate of combustion are now regulated by limiting the quantity of air introduced and by introducing other fluids such as, for example, steam or hot gases, combustible or non-combustible. This last operation can be carried out by controlling and adjusting the valves 26,19,20,24,25,34, 35,
36, 39 and 40. Since it is desirable to maintain the solids in a fluidized state, the velocity and flow of the fluid will be maintained in nozzle 3. New carbon is admitted periodically or continuously through valve 5. .
The mixer
9 is raised, because the addition of fuel raises the level of the fluidized mass, or even it can be taken out entirely from the mass; this is usually not necessary once the mass is suitably thinned, unless the strong coal turns / coke and is introduced into chamber 1 at too high a speed.
Valve 26 is a primary air control valve. When using preheated air, it can be
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introduced by 21, the condenser 15, the valves 22 and 25, the propellant or the blower 17. The gas can be preheated in the same way. Gas and air can both be preheated in chamber 15, in a similar manner, by introducing air through valve 40 and gas through 20. Other possible combinations are shown in fig. .l. the steam is introduced pn 1 by the valve 34.
Although this method of charcoal charcoal essentially involves the passage of hot gases from the bottom upward through a layer of fluidized charcoal, it is no less true that the steps from this point on are somewhat optional, depending on the desired results. For example, when a maximum yield of condensable by-products is desired, it is advantageously possible to use steam as the heating fluid, either with unp eu air or gas, either alone or with the simultaneous addition of air and gas. gas, the latter being burnt by air, and the resulting heat used for carbonization. At any rate, the fuel is kept fluidized and hot gases are passed through the mass until the desired degree of carbonization is achieved.
The vapors and gaseous products are removed from 1 by 13, the heat exchanger 15, the separator 16 and exit through 18 and 19. When one seeks to recirculate part of the gas, the valve 19 is partially closed, the valve 20 partly open, and the valves 1 24 and 25 \ [are open.
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When one BfieFeHe à fatte FeBÍFeBeF ene p ** ## à B wishes to use preheated gas re-circuited, valve 24 is closed, valves 20,22,23 and 25 are opened. When preheated air is desired as the fluid, the valves 23, 24, 26 and 27 are closed and the valves 21, 22 and 25 are opened.
The process is made continuous by simply removing some of the solid carbonization product, coke or charcoal in the present example, through valve 11 and charging fuel to be processed through valve 5. After closing
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the valve 5, the charcoal can be cooled by passing a refrigerant fluid through the valve 29, the chamber 12 and the outlet 30 and subsequently letting it escape through the valve, 28.
Since the temperature tends to equalize itself throughout the fluidized mass - tendency to homogeneity - by the fact that the. cooler particles tend to descend into the combustion zone and as hot particles tend to rise, a thermocouple and pyrometer can be used to indicate the state and degree of carbonization, the former being placed in the combustion zone. fluidized mass. For reasons of simplicity, the pyrometer or the thermocouple are not shown in the figures.
It is possible, in the arrangement shown in fig. 1, to use as the fluid, (the air, vapor, gas, vapor or other fluid or mixtures of fluids, and they can be hot or cold or vary with time.
To expel some volatile material from coal or other solids, vaporized liquids such as benzene, phenol, toluene or other hydrocarbons and hydrocarbon compounds can be advantageously used. The choice of the hydrocarbon or the like can both depend on and vary with the temperature and the dissolving action desired.
It is found that when certain acids or oxidizing agents are used to treat fluidized carbon, the swelling properties of the carbon are removed and a low temperature product is obtained which can be mixed with bituminous carbon, briquettes with or without binder and subsequently charred, the charred briquette being denser than ordinary coke. We have found that SO2, SO4H2, C12, HC1, NO3H oxychlorides and other products help achieve this result. They can be used without air, alone or in mixtures. The process, for which a patent is requested, comprises the passage of such
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substances through a layer of fluidized solids.
Fig. 1 indicates means for causing a fluid to fluidize a mass of divided solids, means for passing a predetermined fluid or a mixture of fluids through said fluidized mass, means for adjusting the temperature of the mass in question , means for changing the medium at will the composition and nature of the fluid and of the fluid, means for introducing solids into the fluidized mass, and means for discharging the fluids and solids out of the fluid. reaction chamber. In the carbonization or distillation of coal or shale, the chamber 15, referred to as the heat exchanger, may be a condenser and the chamber 16 a scrubber.
Another example of the operation of the process according to the invention consists of the production of carbon black from hydrocarbons. In this process, a difficulty has been encountered in avoiding the formation of "lamp black", a carbonaceous substance, brown-black to gray-black in color, comprising particles which are, in general, larger than those of the lamp. real carbon black.
The secret lies in the precise control of the temperatures during the decomposition - cracking - of the hydrocarbon vapors and in the control of the time (duration) of their exposure to the action of heat. When these vapors are brought into contact with a fixed mass of refractory materials, damaged or loosely assembled, heated intermittently and contained in an ordinary chamber, the surface temperature of the refractories decreases so rapidly that it is formed. usually lamp black rather than carbon black.
When the vapors are passed through a similarly heated solid fuel layer, a rather small amount of carbon black is formed, but it is not easily recovered; most of it adheres to the surface of the fuel or remains in the interstices and is subsequently consumed (burned) during the heating phase of the operation, in particular during the period of air blowing.
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When the vapors or gaseous hydrocarbons are passed through a fluidized mass of particles or strongly heated pieces of solid substance - catalyst - a good quality of carbon black is obtained and a high production thereof. . Fortunately, coke and some other combustible substances catalyze reactions, and thus it is simply a matter of controlling the temperature of the catalyst surface. Iron, iron oxide and other substances also act as catalysts in the production of carbon black. A little air or another oxidizing agent can be used during (simultaneously) the introduction of the hydrocarbon vapors or alternately with respect to the latter vapors.
The concentration and temperature of the gas and the catalyst can be easily controlled by means already described, including recirculation of the gases, and by the combustion of the gases in contact with the fluidized trap.
When a catalyst other than a combustible substance is used, in chamber 1 the temperature can be maintained uniform either by recirculating the catalyst or by using air or other fluid whose temperature is controlled. Cold air can be introduced through 26 and 17 and hot air through 21,15,22,25 and 17. A well-defined temperature should be maintained in the fluidized mass during the cracking of the hydrocarbons and optimum temperatures. are not identical for all gases and vapors, but are determined experimentally. All the details of the operation are not reproduced here since the claims are not limited to this operation but rather to the process in general.
However, it will be noted that in this example, the use of a mixing device 9 is not necessary, particularly when the solids have been fluidized.
The average size of the solids - coke or equivalent - will be small, preferably less than 3/4 inch; the
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average diameter of 1 inch is very satisfactory. The solids are introduced into the reaction chamber through valve 5, if necessary, and are removed from time to time to avoid the build-up of mash. With petroleum coke or strong anthracite coal, you do not need to be so careful because less ash accumulates.
During the continued production of carbon black from hydrocarbons such as methane or natural gas, hydrogen is removed as a decomposition product, the reaction being symbolized or represented by the following equation.
CH4 = C + 2H2.
When hydrogen recirculates. and that simultaneously introducing air into the reaction chamber (indicated by 1 in fig. 1) an appreciable quantity of the hydrogen is burnt, forming water vapor. This appears to help produce much superior carbon black while providing the means to provide the necessary heat. In other words, the presence of H20 vapor appears to have a favorable effect on the quality of the black produced. The consumption of solid carbon comprising the fluidized mass is very low when the thermal energy necessary for the process is supplied by hydrogen.
Under these conditions, small quantities of by-products comprising benzene are obtained, which vary in composition and quantity, depending on the temperature used in the fluidized mass and the nature of the hydrocarbon used as raw material. Carbon black is separated from gases and other products using well known means.
Oil shale can be treated by this process and provide high yields of oil. It is preferable in this case to use steam as the fluid, or component of the fluid, and to burn some of the recirculated gases as a means of heating the shales by contact. Excessive combustion and the use of an excessive amount of air should be avoided to avoid the combustion of appreciable quantities of the shale oil. It should be noted that means are provided to admit the heating gas
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with just enough air for its combustion and thus in the waste of recirculated gas, vapors of selected hydrocarbons, vapor of mixtures or the like, there is no need for combustion excessive occurs in the reaction chamber.
Combustion constitutes a means of control in the process according to the invention and the combustion is induced so as to apply the heat released, to the places where heat is required, without overheating parts of the fluidized mass. It will be noted that by a simple operation of the valves, the combustion can carry out an alternating cycle or a continuous cycle with the introduction of fluids into the fluidized mass, and that the fluidized solids, in whole or in part, can be introduced at will into the fluidized mass. the reaction chamber, even during the operation. according to
In the practice of the method of the invention, we are not limited to the use of the particular apparatus shown in the figures.
Various other types of apparatus can be easily designed that would work just as well. For example, solids can be introduced into the reaction chamber substantially from the bottom, rather than from the top, and likewise, solids can be periodically discharged from the top instead of from the bottom. Fluids can be introduced at points midway between the top and the bottom of the fluidized mass in addition to cex introduced from the bottom. Either way, the process involves fluidifying solids in a moving fluid - a fluid stream - and controlling the nature, amount, rate, and temperature of the fluid.
The fluid is preferably gaseous, and can include a variety of gases, some of which can react with each other under appropriate temperature conditions and some of which can react with a portion of the solids. The selection of gases can be made with the idea of adjusting the temperature in the fluidized mass.
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For example, using charcoal as a solid material, one can use a fuel gas and oxygen or air, with or without vapor or inert products, and the amount of oxygen used can be just as much. required to maintain the desired temperature of the fluid stream in contact with the solids. Once again, excess oxygen can be used / whereby part of the volatile matter in the carbon chemically reacts with it.
Results can be obtained by passing a fluid through a fluidized mass of solids, results which cannot be easily reproduced by passing the fluids through a fixed layer of solids.
This is particularly true in view of the temperature uniformity of the surface of the solids; of vacuoles and channels in the mass, the uniformity of contact of the solids with the fluid, the time required by the process, and the ease with which a chemical reaction can be caused to occur in a large mass of solids. The duration and the intensity of the contact are adjustable, in the method of the invention, without changing other conditions. This is not the case when destroying a fixed layer of solids by a fluid.
With regard to carbon as a fluidized solid substance, the relative size and the density of the different particles are very important as to their location in the fluidized mass; heavier (denser) and larger particles tend to descend to lower levels than less dense or smaller particles. Accordingly, in the process according to the invention, there is provided a method, simultaneous with carbonization, for separating the "ridges", stones etc. from the coke, thereby lowering the ash content.
Although it is not the intention of the inventor to limit himself with regard to temperatures, in carrying out the process he draws attention to the fact that in many examples in which the process is
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is applicable, high temperatures are desired. In drying operations where it is a matter of removing moisture, a temperature above 212 ° F is preferred at lower temperatures. In low temperature charcoal carbonization, the preferred maximum temperature may be between 750 F and 1400 F. It is understood that in processing and loading the temperature of the fluid stream may be increased or otherwise changed during the process. .
In order to cause chemical reactions between CO and H2, a temperature in the region of 2750 to 400 ° C. is usually preferred. To make carbon black much higher temperatures are usually required.
It is probably evident that the temperature of the gas or fluid leaving the reaction chamber can be very high. For this reason, chamber 15, Fig. 1, is referred to as a heat exchanger with the intention of including within this term a boiler which may, under certain conditions, be the preferred type of heat exchanger.
When condensable substances such as benzene, phenol, water, etc., are used as components of the fluid introduced into the fluidized mass 2, fig. 1, the chamber 15 can be used to volatilize them using heat. lost available gaseous reaction products. The means for separately admitting such substances in 15, is not separately indicated.
Before making the specific claims, it is desired to draw attention to another particular instance, in which it is possible to employ the process of the invention and which is believed to be included in a broad sense, within the meaning of the invention. claims. When the fluidized solids include a suitable catalyst, such as a catalyst containing Ni, CO, Al 2 O 3, their mixtures or other substances known to catalyze reactions between steam and hydrocarbons, it is possible to a relatively low temperature - below 1000 C - to produce CO and H2.
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The reactions are represented by the following equations;
CH4 + H2O = CO + 3H2
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
C2H6 + 2H2O = 2CO + 5H2
C2H4 + 2H2 = 2CO + 4H2 The complete realization of the reactions towards equilibrium varies with the temperature and the contact time of the reaction products with the catalyst, and also with the relative con- centrations of the reaction gases. it is possible to adjust in the method according to the invention, constitute a characteristic which is believed to be new and new.
In certain exothermic reactions, where high temperatures favor a particular reaction, the desired product decomposes on prolonged exposure to strongly heated surfaces. Such reactions can be carried out advantageously by means of the process of the invention. The dull contact can be reduced to the optimum point.) As is experimentally determined for a particular case, by increasing the velocity of the reactants through the fluidized mass. As an example of such a reaction, we have: 2CH4 = C2H2 + 3H2. A similar equation can be written for the production of benzene. In each case, low pressure is more favorable for the reactions than high pressure.
Yields are higher when the pressure is reduced, but appreciable yields can be obtained under pressure conditions existing when carrying out the process without employing a pressure lower than that of the atmosphere. However, it should be noted that a pressure lower than that of the reduced atmosphere can be maintained in the fluidized mass, by removing the products from the enclosure, instead of using the pressure as a fluidifying agent. .
It has been found that when a ready-made catalyst, containing or comprising iron, is used in 1 as a suspending agent, it is possible to produce carbon black.
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@ 'excellent quality from lean gas, blast furnace gas, water gas or other gases containing carbon monoxide, by the catalyzed chemical reaction represented by equation 200 = C02 + C + 71,000 Btu, which easily occurs at high temperatures. The preferred temperature is above 200 C and below 400 C.
The reaction is exothermic and must take place within defined limits, because at high temperatures the reverse reaction occurs. In addition, at about 400 C, iron begins to act as a reducing agent vis-à-vis CO2. Cooled gases, steam, or both, can be used as a means of temperature control. During the production of spongy iron, a uniform product is obtained, when iron oxide (raw material) is processed suspended in a fluid, as described.
It has been found that to maintain a mass of suspended solids in an increasing current of an aeriform fluid, a defined minimum velocity is required for the fluid, which is a function of various variables. Considering the particles of solids to be spheres, this minimum speed is expressed by the mathematical formula, in substance as follows:
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v = / SrDg where: v = velocity of the aeriform fluid located in 1, in cm / sec. r = the mean radius of fluidized solid particles, in cm.
D = the density of the solid including the particles d = the density of the aeriform fluid, and g = the acceleration due to gravity in CGS units.
This relationship does not exactly hold for irregularly shaped particles for which a somewhat smoother flow is required. At start-up, without mechanical assistance, a pressure is created below the perforated plate 7, equivalent to a higher value. to the weight of) the mass of solids. For example, if the weight of a column of the mass having a section of 1 foot, is 100 pounds
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, the pressure required to start the operation is greater than roof @lbs per square foot. After the particles are fluidized, the pressure drops below the initial pressure.
Speeds much greater than the "rise rate" - the necessary fluidization rate - can be used with satisfactory results. However, when there is an appreciable difference in the size of the particles, the finer ones are more easily blown out of chamber 1. We find, using sand, at atmospheric temperature, in an 18 inch layer. deep, that 50 cubic feet of air per minute, per square foot of mass section (area of the perforated support) is sufficient to maintain the particles in a fluidized state.
Once the operation has started, it is possible to regulate the flow of fluids passing through 17 by controlling and using the bypass or bypass valve, indicated at 33 in fig. 1.
"Ground solids" have been referred to in all of the above, but the term includes small particles having the dimensions specified regardless of how they are formed.
Although fig. 2 presents another form of apparatus, or rather a modified form of the apparatus shown in FIG. 1, the process as carried out there, is nevertheless considered to be the same as that which has just been described. According to fig.2, the fluidized mass 2 can be made to circulate automatically by simply opening the valves 8A and 8. The fluidized solids overflow like a liquid and descend by 8A into the chamber 1A, as indicated in 2A, exit from the chamber 1A through valve 8 and return to chamber 1. :( :: 'flow of fluid through 3, in chamber 1, is both the means for fluidizing and circulating solids.
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The term "liquefied mass" as used herein and in the claims does not refer to a gas containing entrained particles nor to a gas through which the particles flow in the form of rain as in ordinary combustion of pulverized fuels. ; it is used to denote a pseudo-fluid, such as that formed by passing an aeriform fluid from the bottom upward through a substantially fixed mass of small, substantially uniform particles of a solid material, to a speed such that the particles acquire limited freedom of movement, the whole having physical properties similar to those of a boiling liquid.
The "pseudo-liquid" is the fluidized mass having a density much greater than that of the same aeriform fluid, with entrained particles of the same species of solid.
So in a "fluidized mass", according to the meaning given here, the linear displacement of the particles is much smaller than that of the particles entrained in a gaseous medium, and analogously, the concentration of the particles (mass by unit of volume) is greater in the former case than in the latter. The "liquefied mass" can be produced under the effect of velocity by blowing an initially fixed solids layer (preferably solids of uniform size) upward using an aeriform fluid. a speed such that the particles of said solids acquire limited movement without being entrained in said fluid, the fluid passing continuously from bottom to top through said mass of solids.
This differentiates this fluidized mass from other forms of suspension, as far as is known. The almost obvious advantage, resulting from the use of the fluidized dense mass, is its greater heat capacity, per unit volume of the container, than that of suspensions of the same solids entrained in the fluid. If air is blown from bottom to top through a mass of loose sand, under the defined velocity conditions more. high, the mass of sand will become a "fluidized mass".
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