NL8902738A - Werkwijze en inrichting voor het uitvoeren van chemische en/of fysische reacties. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het uitvoeren van chemische en/of fysische reacties.

De uitvinding betreft een werkwijze en een inrichting voor het uitvoeren van chemische en/of fysische reacties door middel van vaste stof/gas contact. Zij is in het bijzonder geschikt voor het verwijderen van stikstofoxiden uit rookgassen door reactie met ammoniak in tegenwoordigheid van een vaste katalysator, maar kan in het algemeen voor vele uiteenlopende toepassingen worden gebruikt.

Voor het uitvoeren van reacties met vaste stof/gas contact kan men in het algemeen kiezen uit diverse mogelijkheden. Zo kent men processen met een zogenaamd "vast bed" waarbij het gas door een dicht opeengepakte laag van vaste stof in de vorm van korrels, ringen of dergelijke of anders langs platen of wanden gemaakt uit die vaste stof wordt gevoerd. Dergelijke processen worden veel gebruikt voor chemische reacties, waaronder oxidatiereacties, watergas-reacties, synthesereacties voor het maken van ammoniak, of methanol en dergelijke.

Verder kent men processen met een zogenaamd "bewegend bed", waarbij een vaste stof in deeltjesvorm (bijvoorbeeld actieve kool) door een reactor omlaag stroomt terwijj. een gas in opwaartse richting of dwarsrichting door de deeltjesstroom wordt gevoerd. Dergelijke processen worden bijvoorbeeld veel gebruikt voor het adsorberen van gasvormige of vloeibare bestanddelen uit een gasstroom.

Daarnaast zijn ook processen met een zogenaamd "gefluidiseerd bed" bekend, waarbij de vaste stof in deeltjesvorm op een verdeelplaat rust en een gasstroom in opwaartse richting via de verdeelplaat door de laag vaste stof wordt gevoerd. Bij een bepaalde snelheid van de gasstroom treedt een plotselinge expansie van de laag vaste stof op, waarbij de afzonderlijke deeltjes, door het gas gedragen, in werveling geraken en het beeld ontstaat van een kokende vloeistof. Dergelijke processen kunnen bijvoorbeeld toepassing vinden bij het verbranden van vaste brandstoffen met lucht of zuurstof.

Al deze processen hebben voor- en nadelen, die hen voor bepaalde toepassingen meer of minder geschikt maken.

De uitvinding is eveneens gericht op het realiseren van vaste stof/gas contact, maar maakt gebruik van een ander principe. Benodigd hiervoor is een schachtvormige reactie-ruimte, die naar boven toe wijder wordt en door dwars op de lengteas geplaatste roosters in compartimenten is verdeeld. Als men een deeltjesvormige vaste stof met deeltjesafmetingen tussen circa 0,5 en circa 5 mm in deze reactie-ruimte brengt en tevens een gasstroom in opwaartse richting door de reactieruimte voert met een debiet dat voldoende is om de vaste deeltjes in zwevende toestand te houden, dan neemt men waar, dat de vaste deeltjes met elkaar een "zwevend bed" vormen, dat een aantal compartimenten van de reactieruimte beslaat en zich afhankelijk van het gasdebiet op een hoger of lager gelegen niveau in de reactieruimte bevindt. Binnen in dit zwevende bed is de verdeling van de vaste deeltjes niet homogeen, want het grootste deel van het zwevende bed bestaat uit een ijle fase met een relatief geringe concentratie aan vaste deeltjes, terwijl een klein gedeelte van het bed daarentegen een dichte fase met een relatief grote concentratie aan vaste deeltjes vormt, welke dichte fase in de laagvorm door de roosters binnen het bed (met uitzondering van een aantal roosters onderin) wordt gedragen. Op verscheidene roosters binnen het bed is zodoende een laag van de dichte fase aanwezig, met daarboven een ijle fase, die de rest van dè boven die roosters gelegen compartimenten vult. De vaste deeltjes in de dichte fase worden voortdurend opgewerveld, waarbij zij voor een deel in de ijle fase terechtkomen en voor een ander deel naar de dichte fase terugkeren. De vaste deeltjes in de ijle fase bewegen langs willekeurige banen door een compartiment en komen af en toe ook wel in een hoger of lager gelegen com- partiment terecht. Derhalve zijn de afzonderlijke deeltjes voortdurend in beweging, terwijl de grenzen van het zwevende bed en ook de verdeling van het bed in dichte en ijle fasen tijdens het bedrijf in stand blijven.

In dit zo gevormde zwevende bed van vaste deeltjes kan dankzij de voortdurende beweging van de deeltjes een goed contact tussen vaste stof en gas worden gerealiseerd, waarbij energie- en/of stofoverdracht daartussen mogelijk is. De methode is daarom uitstekend geschikt voor het uitvoeren van fysische en/of chemische reacties.

Vergeleken met een gefluidiseerd bed van vaste deeltjes vallen de volgende verschillen op: de voor de vorming van een zwevend bed gebruikte deeltjes hebben in het algemeen iets grotere afmetingen (circa 0,5 - circa 5 mm) dan de deeltjes die voor een gefluidiseerd bed worden gebruikt (meestal circa 0,1 - circa 1,5 mm). De gebruikte gasstroom dient evenals bij een gefluidiseerd bed een debiet te hebben dat voldoende is om de vaste deeltjes in zwevende toestand te houden, maar bij een zwevend bed kan een veel grotere variatie in gasdebiet worden toegepast dan bij een gefluidiseerd bed, zonder dat de vaste deeltjes door de gasstroom uit de reactieruimte worden meegesleurd. Het belangrijkste verschilpunt is echter wel dat de verdeling van de vaste deeltjes over het gevormde bed bij een zwevend bed in tegenstelling tot een gefluidiseerd bed niet homogeen is, gezien de opeenvolging van dichte en ijle fasen. De gemiddelde deeltjesconcentratie in de ijle fase is trouwens in de compartimenten aan de onderzijde van het zwevende bed lager dan in de compartimenten aan de bovenzijde daarvan terwijl de lagen van de dichte fase in het zwevende bed, gezien van onder naar boven, geleidelijk aan dikker worden (de dichte fase verschijnt eerst in de hoeken en langs de randen van een rooster en vult daarna geleidelijk de meer naar het midden gelegen delen van de roosters op, totdat bovenin het zwevende bed het gehele oppervlak van een rooster met de dichte fase is bedekt).

In tegenstelling tot een gefluidiseerd bed heeft een zwevend bed weinig neiging tot de vorming van gasbellen die een storend effect hebben. Ook bestaat bij een zwevend bed weinig neiging tot "kanaalvorming" in het bed, dankzij de stabilisatie door de roosters. Dit zijn duidelijke voordelen. Verder is het bij een zwevend bed mogelijk, een gas-stroom te gebruiken die fijne stofdeeltjes zoals vliegas bevat; dergelijke deeltjes zullen namelijk vanwege hun geringe afmetingen niet in het zwevende bed achterblijven maar met de gasstroom worden meegevoerd en de reactieruimte aan het uitlaateinde verlaten. Een voordeel is ook dat de vaste deeltjes die aan het zwevende bed deelnemen, veel minder onderlinge botsingen ondergaan, zodat de attritie van deze deeltjes geringer is dan bij een gefluidiseerd bed.

De uitvinding verschaft derhalve in de eerste plaats een werkwijze voor het uitvoeren van chemische en/of fysische reacties door middel van vaste stof/gas-contact, welke gekenmerkt is doordat men een deeltjesvormige vaste stof met deeltjesafmetingen tussen circa 0,5 en circa 5 mm in een schachtvormige, naar boven toe wijder wordende en door dwars op de lengteas geplaatste roosters in compartimenten verdeelde reactieruimte brengt, en tevens een gasstroom in opwaartse richting door de reactieruimte voert met een debiet dat voldoende is om de vaste deeltjes in zwevende toestand te houden en de gewenste reacties door middel van vaste stof/gascontact te laten verlopen.

Op deze werkwijze zijn diverse varianten mogelijk.

Zo kunnen de vaste deeltjes elke gewenste vorm hebben, ofschoon bolvormige of nagenoeg bolvormige deeltjes wel de voorkeur genieten. De deeltjesvormige vaste stof kan inert t.o.v. de gasstroom zijn, maar ook het vermogen hebben, bestanddelen uit de gasstroom te adsorberen of op deze gasstroom in te werken of daarmee te reageren. Evenzo kan de gasstroom inert ten opzichte van de deeltjesvormige vaste stof zijn, maar ook bestanddelen bevatten die op deze vaste stof inwerken of met de vaste stof reageren. Verder kan de gasstroom bestanddelen bevatten die door de vaste deeltjes worden geadsorbeerd of op andere wijze uit de gasstroom worden verwijderd, alsook bestanddelen zoals vliegas die de reactieruimte ongehinderd passeren.

Doorgaans zal de deeltjesvonnige vaste stof, die in de reactieruimte is gebracht, tijdens het bedrijf in deze reactieruimte aanwezig blijven, zodat alleen de gasstroom continu wordt doorgevoerd. Niettemin is ook een uitvoeringsvorm mogelijk, waarbij de deeltjesvormige vaste stof tijdens het bedrijf continu aan de reactieruimte toegevoerd en eveneens continu uit de reactieruimte afgevoerd wordt. Een dergelijke uitvoeringsvorm heeft voordelen als tijdens het bedrijf stofoverdracht tussen de gasstroom en de vaste deeltjes plaatsvindt in die zin dat de vaste deeltjes met een uit de gasstroom geadsorbeerde stof worden beladen. De uit de reactieruimte afgevoerde deeltjes kunnen dan op een andere plaats worden geregenereerd en vervolgens naar de reactieruimte worden teruggevoerd.

De voor het uitvoeren van de werkwijze benodigde inrichting kan betrekkelijk eenvoudig zijn en is in het algemeen gekenmerkt door een reactor met een schachtvormige, naar boven toe wijder wordende en door dwars op de lengteas geplaatste roosters in compartimenten verdeelde reactieruimte, welke reactor een inlaat voor deeltjesvormige vaste stof, alsmede een aan de onderzijde gelegen gasinlaat en een aan de bovenzijde gelegen gasuitlaat heeft. Binnen dit kader zijn diverse uitvoeringsvormen mogelijk.

In een geschikte uitvoeringsvorm bestaat de reactor uit een langgerekt opstaand vat, met wanden die een hel-lingshoek van hooguit 10° met de lengteas van het vat maken, zodanig dat de inwendige reactieruimte naar boven toe wijder wordt. Binnen het vat, dwars op de lengteas daarvan zijn de reeds genoemde roosters geplaatst, die de inwendige ruimte in compartimenten verdelen. Een dergelijke uitvoeringsvorm is eenvoudig van constructie en kan voor vele toepassingen worden gebruikt.

In een andere uitvoeringsvorm omvat de reactor een langgerekt opstaand vat met evenwijdig aan de lengteas van het vat lopende wanden en is centraal in het reactievat een langgerekt lichaam geplaatst, waarvan de dwarsdoorsnede naar boven toe geringer wordt. Tussen dit centrale lichaam en de wanden van het reactorvat blijft dan een schachtvormige reactieruimte over, die evenals bij de eerstgenoemde uitvoeringsvorm door dwars op de lengteas van het vat geplaatste roosters in compartimenten is verdeeld. Deze uitvoeringsvorm kan eveneens voor diverse toepassingen worden gebruikt. Indien men het centrale lichaam in het reactorvat op en neer beweegbaar maakt, met de roosters uitsluitend aan dat centrale lichaam bevestigd, heeft men de mogelijkheid invloed op de bedrijfsomstandigheden zoals de plaats van het zwevende bed en dergelijke uit te oefenen, hetgeen in bepaalde gevallen voordelig is.

Bij beide uitvoeringsvormen zal de inlaat voor de deeltjesvormige vaste stof zich gewoonlijk aan de onderzijde van het reactievat bevinden. Indien deze inlaat aansluit op * een onder de reactor geplaatst voorraadvat is een speciale uitlaat voor de vaste stof niet nodig, aangezien de vaste deeltjes bij beëindiging van het bedrijf vanzelf omlaag zullen vallen en in het voorraadvat zullen terugkeren. Niettemin is echter ook een variant mogelijk, waarbij de inlaat voor deeltjesvormige vaste stof zich bevindt op een plaats in de reactorwand, terwijl op een hoger of lager gelegen plaats in de reactorwand een uitlaat voor deeltjesvormige vaste stof aanwezig is. In dat geval kan men de vaste stof tijdens het bedrijf continu aan de reactieruimte toevoeren en eveneens continu uit de reactieruimte afvoeren, hetgeen de eerder beschreven voordelen heeft.

De uitvinding wordt nader geïllustreerd door de bij wijze van voorbeeld gegeven tekening, waarin: fig. 1 een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding schematisch en in langsdoorsnede weergeeft, fig. 2 een fragment van de inrichting van fig. 1 tijdens het bedrijf op grotere schaal laat zien.

fig. 3 een variant op de uitvoeringsvorm van fig. 1 en 2 is, fig. 4 een tweede uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding schematisch en in langsdoorsnede weergeeft, en fig. 5 en 6 grafieken van proefresultaten zijn, die volgens Voorbeeld II met de inrichting van fig. l en 2 werden behaald.

De inrichting van fig. 1 omvat een langgerekt opstaand reactievat 1, met een gasinlaat 2 aan de onderzijde en een gasuiclaat 3 aan de bovenzijde. De wanden 4,4 van het vat nemen een lichtelijk hellende stand in ten opzichte van de (verticale) lengteas 5, zodat het vat naar boven toe geleidelijk wijder wordt, d.w.z. een grotere dwarsdoorsnede krijgt. De inwendige ruimte (reactieruimte) 6 in het vat 1 is door een aantal dwars op de lengteas 5 geplaatste roosters 7 in compartimenten 6a,6b,... etc. verdeeld. Onder het reactievat 1 bevindt zich een voorraadvat 8 voor deeltjesvormige vaste stof 9, welk vat 8 is voorzien van een injec- » teur 10 met een inlaat 11 voor een hulpgas.

Bij de aanvang van het bedrijf bevindt zich in het voorraadvat 8 een deeltjesvormige vaste stof 9 met deeltjesafmetingen tussen circa 0,5 en circa 5 mm. Met behulp van de injecteur 10 en een hulpgas zoals bijvoorbeeld perslucht worden de deeltjes van deze vaste stof in het reactievat 1 gebracht. Tevens wordt via de inlaat 2 en de uitlaat 3 een gasstroom in opwaartse richting door de schachtvormige reactieruimte 6 gevoerd, met zodanig debiet dat de uit de injecteur 10 afkomstige deeltjes van de vaste stof 9 in >·*> zwevende toestand geraken. In de reactieruimte 6 vormt zich dan een zwevend bed van vaste deeltjes, dat zich afhankelijk van het gasdebiet op een hoger of lager niveau instelt en een aantal compartimenten van de reactieruimte 6 (bijvoorbeeld het eerste tot en met vijfde compartiment of het derde tot en met zesde compartiment, gerekend van onder af) beslaat. Binnen dit zwevende bed is de verdeling van de vaste deeltjes inhomogeen zoals blijkt uit fig. 2, die de toestand in een viertal compartimenten 6a,6b,6c,6d, gescheiden door roosters 7a,7b,7c weergeeft. Hierbij wordt aangenomen dat het zwevende bed in het compartiment 6b begint, zodat het daaronder liggende compartiment 6a vrij is van zwevende vaste deeltjes. De opwaartse gasstroom is met een pijl A weergegeven. Men ziet dat de compartimenten 6b,6c,6d voor het grootste deel gevuld zijn met een ijle fase 12 van vaste deeltjes in gas, die een relatief geringe concentratie aan vaste deeltjes (onderin circa 1% en in hoger gelegen compartimenten oplopend tot circa 20% of meer) heeft. Daarnaast bevindt zich in het zwevende bed, beginnend met compartiment 6c, een kleine hoeveelheid van een dichte fase 13, eveneens bestaande uit vaste deeltjes in gas maar met een relatief hoge concentratie aan vaste deeltjes (circa 40 - circa 50%). Deze dichte fase 13 komt voor in de vorm van lagen die direct op de roosters 7b,7c, etc. rusten, waarbij de dikte van deze lagen in hoger gelegen compartimenten geleidelijk aan groter wordt. Op de meeste roosters binnen het zwevende bed is zodoende een laag van de dichte fase 13 aanwezig, met daarboven een ijle fase 12, die de rest van het boven het betreffende rooster gelegen compartiment vult. De vaste deeltjes in de dichte fase 13 worden voortdurend opgewerveld, waarbij zij voor een deel in de ijle fase terechtkomen en voor een ander deel naar de dichte fase terugkeren. De vaste deeltjes in de ijle fase 12 bewegen langs willekeurige banen door een compartiment en komen af en toe ook wel in een hoger of lager gelegen compartiment terecht. Derhalve zijn de afzonderlijke deeltjes voortdurend in beweging, terwijl de grenzen van het zwevende bed en ook de verdeling van het bed in dichte en ijle fasen tijdens het bedrijf in stand blijven.

Dankzij dit zwevende bed van vaste deeltjes kan een goed contact tussen vaste stof en gas worden gerealiseerd, waarbij energie- en/of stofoverdracht daartussen mogelijk is. De inrichting van fig. 1 en de werkwijze voor het werken daarmee zijn daarom uitstekend geschikt voor het uitvoeren van fysische en/of chemische reacties en kunnen op talrijke gebieden toepassing vinden.

Het getekende reactievat 1 kan in dwarsdoorsnede elke gewenste vorm hebben, hoewel een vierkante dwarsdoor snede de voorkeur geniet. De wanden 4,4 van het reactievat dienen lichtelijk te hellen t.o.v. de lengteas 5 van het vat, ten einde de snelheid van de gasstroom bovenin de reactieruixnte te vertragen en zodoende te verhinderen dat de vaste deeltjes van het zwevende bed uit het reactievat treden. De hellingshoek behoeft niet groter te zijn dan circa 10'; een kleinere hellingshoek binnen dit gebied heeft ten gevolge dat meer roosters onderin het zwevende bed vrij zullen zijn van een dichte fase. Eventueel kunnen de wanden ook getrapt zijn uitgevoerd.

De inrichting van fig. 4 omvat eveneens een langgerekt opstaand reactievat 14, dat voorzien is van een niet getekende gasinlaat aan de onderzijde en een niet getekende gasuitlaat aan de bovenzijde. De wanden 15,15 van het vat 14 nemen nu een verticale stand in, dat wil zeggen zij lopen evenwijdig aan de lengteas 16 van het reactievat. Centraal binnen dit vat 14 is een langgerekt lichaam 17 geplaatst, waarvan de afmetingen in dwarsdoorsnede naar boven toe geleidelijk geringer worden. Dit centrale lichaam 17 is volgens de pijlen B,B op en neer beweegbaar opgesteld en draagt een aantal zich dwars op de lengteas 16 van het vat 14 uitstrekkende roosters 18. Tussen het centrale lichaam 17 en de wanden 15,15 van het vat 14 blij ft dan een schachtvormige reactieruimte 19 over die naar boven toe geleidelijk wijder wordt, dat wil zeggen een grotere dwarsdoorsnede krijgt. Deze reactieruimte 19 is door de roosters 18 in compartimenten 19a,19b... verdeeld. Onder het reactievat 14 bevindt zich een voorraadvat (niet getekend) voor deeltjesvormige vaste stof, welk voorraadvat evenals bij de inrichting van fig. 1 voorzien kan zijn van een injecteur met een inlaat voor hulpgas.

De werking van deze inrichting is nagenoeg gelijk aan die van fig. 1. Bij de aanvang van het bedrijf bevindt zich in het niet getekende voorraadvat een deeltjesvormige vaste stof met deeltjesafmetingen tussen circa 0,5 mm en circa 5 mm. Met behulp van geëigende middelen zoals een injecteur en een hulpgas worden de deeltjes van deze vaste stof in het reactievat 14 gebracht. Tevens wordt een gas-stroom in opwaartse richting volgens de pijl A door de schachtvormige reactieruimte 19 gevoerd, met zodanig debiet dat de ingebrachte deeltjes van de vaste stof in zwevende toestand geraken. In de reactieruimte 19 vormt zich dan een zwevend bed van vaste deeltjes, dat zich afhankelijk van het gasdebiet op een hoger of lager niveau instelt en een aantal compartimenten van de reactieruimte 19 beslaat. Binnen dit zwevende bed is de verdeling van de vaste deeltjes inhomo-geen, omdat.de compartimenten daar voor het grootste deel gevuld zijn met een ijle fase van vaste deeltjes in gas, terwijl zich op de meeste roosters (met uitzondering van een aantal roosters onderaan) een laagvormige dichte fase van vaste deeltjes in gas bevindt. De vaste deeltjes in de dichte fase worden voortdurend opgewerveld, waarbij zij voor een deel in de ijle fase terechtkomen en voor een ander deel naar de dichte fase terugkeren. De vaste deeltjes in de ijle fase bewegen langs willekeurige banen door een compartiment en komen af en toe in een hoger of lager gelegen compartiment terecht. Derhalve zijn de afzonderlijke deeltjes voortdurend in beweging, terwijl de grenzen van het zwevende bed en ook de verdeling van het bed in dichte en ijle fasen tijdens het bedrijf in stand blijven. Dankzij dit zwevende bed van vaste deeltjes kan een goed contact tussen vaste stof en gas worden gerealiseerd, waarbij energie- en/of stofoverdracht daartussen mogelijk is.

Dankzij het feit dat het centrale lichaam 17 volgens de pijlen B,B in het reactievat 14 op en neer beweegbaar is, heeft men de mogelijkheid invloed op de bedrijfsomstandigheden zoals de plaats van het zwevende bed en dergelijke uit te oefenen, hetgeen in bepaalde gevallen voordelen biedt. De inrichting van fig. 4 en de werkwijze voor het werken daarmee zijn daarom uitstekend geschikt voor het uitvoeren van fysische en/of chemische reacties en kunnen op talrijke gebieden toepassing vinden.

Het reactorvat 14 en het centrale lichaam 17 van fig. 4 kunnen in dwarsdoorsnede elke gewenste vorm hebben, hoewel een ronde dwarsdoorsnede de voorkeur geniet. Wel dient het centrale lichaam 17 naar boven toe geleidelijk kleiner in dwarsdoorsnede te worden, ten einde de snelheid van de gasstroom bovenin de reactieruimte te vertragen en zodoende te verhinderen dat de vaste deeltjes van het zwevende bed uit het reactievat treden. De hellingshoek tussen de wand van het centrale lichaam 17 en de (verticale) lengteas 16 behoeft echter niet groter te zijn dan circa 10°.

Een kleinere hellingshoek binnen dit gebied heeft ten gevolge, dat een groter aantal roosters onderin het zwevende bed vrij zal zijn van de dichte fase.

In de uitvoeringsvormen van fig. 1 en 4 zal de deeltjesvormige vaste stof, die eenmaal in de reactieruimte 6, resp. 14 is gebracht, tijdens het bedrijf in deze reactieruimte aanwezig blijven. Een speciale uitlaat voor vaste stof is niet nodig, aangezien de vaste deeltjes bij beëindi- * ging of onderbreking van de opwaartse gasstroom in de reactieruimte omlaag zullen vallen en in het voorraadvat onder de reactor worden opgevangen. Niettemin is ook een variant mogelijk, waarbij de deeltjesvormige vaste stof tijdens het bedrijf continu aan de reactieruimte wordt toegevoerd en eveneens continu uit de reactieruimte wordt afgevoerd. Een dergelijke variant, toegepast op de uitvoeringsvorm van fig. 1, is in fig. 3 getekend.

De inrichting van fig. 3 omvat een zelfde reactievat 1 als die van fig. 1, met een gasinlaat 2, een gasuitlaat 3, en hellende wanden 4,4. De inwendige reactieruimte 6 is door roosters 7 in compartimenten verdeeld.

Een verschil met fig. 1 is, dat in de wand 4 nabij de bovenzijde van het vat 1 een inlaat 19 met afsluiter 20 voor deeltjesvormige vaste stof is aangebracht. In dezelfde wand, maar op een lager gelegen plaats, vindt men een overeenkomstige uitlaat 21, welke aansluit op een opvangbak 22 buiten het reactievat 1. Een leiding 23 met afsluiter 24 voor een hulpgas kan dienen om in de leiding 21 een onderdruk te creëren. In dit geval is geen voorraadvat onder de reactor nodig, ofschoon het desgewenst wel aanwezig kan zijn.

Tijdens het bedrijf van de inrichting van fig. 3 wordt een deeltjesvormige vaste stof continu via de inlaat 19 in het reactievat gebracht, terwijl via de inlaat 2 en de uitlaat 3 een gasstroom in opwaartse richting door de reac-tieruimte 6 wordt gevoerd, met zodanig debiet, dat de ingebrachte deeltjes van de vaste stof in zwevende toestand geraken. In de reactieruimte 6 vormt zich dan een zwevend bed van vaste deeltjes, dat zich afhankelijk van het gas-debiet op een hoger of lager niveau instelt en een aantal compartimenten van de reactieruimte 6 beslaat. In dit zwevende bed is een goed contact tussen vaste stof en gas mogelijk, waarbij stofoverdracht en/of energieoverdracht kan plaatsvinden. De vaste deeltjes die onderin het zwevende bed terechtkomen worden continu via de uitlaat 21 uit de reactieruimte 6 afgevoerd. Deze afgevoerde deeltjes kunnen desgewenst aan een regeneratie of andere behandeling worden onderworpen (bijvoorbeeld als zij een vast of vloeibaar bestanddeel uit de gasstroom hebben opgenomen) en daarna aan de inlaat 19 worden toegevoerd voor hernieuwd gebruik. Op deze wijze kan met eenvoudige middelen een kringloop van deeltjesvormige vaste stof worden ingesteld, hetgeen voor bepaalde toepassingen zoals adsorptieprocessen gunstig is.

Hoewel in fig. 3 de uitlaat 21 van deeltjesvormige vaste stof op een lager gelegen plaats dan de inlaat 19 in de wand van het reactievat 1 is aangebracht, is ook een variant denkbaar, waarin de uitlaat 21 op een hoger niveau dan de inlaat 19 aanwezig is. De werking van de inrichting verandert daardoor niet. Verder kunnen de voorzieningen voor continue toevoer en afvoer van de deeltjesvormige vaste stof uiteraard ook bij de uitvoeringsvorm van fig. 4 worden toegepast, waarbij zij dezelfde voordelen zullen opleveren.

Thans zal nog op enkele details van de uitvoeringsvormen van fig. 1,3 en 4 worden ingegaan.

De roosters 7, resp. 18 kunnen op elke gewenste wijze zijn geconstrueerd, bijvoorbeeld als een netwerk van ronde of vierkante staven (fig. 1, fig. 4) of als een geper foreerde plaat. Zij dienen bij voorkeur een vrije doorlaat van 60-75% te hebben ter wille van een stabiel bedrijf. Bij een vrije doorlaat groter dan 75% wordt het zwevende bed in de reactieruimte instabiel, aangezien de vaste deeltjes dan over grote afstanden op en neer bewegen, en bij een vrije doorlaat kleiner dan 60% wordt de gasstroom door de reactieruimte teveel gehinderd. Verder verdient het aanbeveling dat de openingen in de roosters voldoende groot zijn om een aantal vaste deeltjes, bijvoorbeeld drie, naast elkaar door te laten.

Hoewel in fig. 1 en 4 steeds zes roosters zijn weergegeven, kan ook een groter of een kleiner aantal worden gebruikt. Daarbij wordt de afstand tussen de roosters doorgaans zodanig gekozen, dat de reactieruimte in compartimenten van onderling gelijk volume wordt verdeeld. Een groter aantal roosters en derhalve een groter aantal compartimenten » van kleiner volume in een gegeven reactieruimte heeft ten gevolge dat de bewegingen van de vaste deeltjes in het zwevende bed rustiger worden, omdat deze deeltjes dan over een kleinere hoogte worden opgewerveld.

De tijdens het bedrijf van de reactor te gebruiken deeltjesvormige vaste stof heeft gewoonlijk deeltjes met afmetingen tussen circa 0,5 en circa 5 mm. Bij afmetingen kleiner dan 0,5 mm ontstaat het risico dat de vaste deeltjes met de gasstroom uit de reactieruimte zullen worden meegevoerd en bij afmetingen groter dan circa 5 mm treden te veel instabiliteiten op. Bij voorkeur zijn de deeltjes bolvormig of nagenoeg bolvormig ten einde de kans op afschuring klein te houden. Het soortelijk gewicht van de deeltjes heeft uiteraard invloed op de valsnelheid daarvan, maar is niet essentiëel voor een goede werking van het proces en kan dan ook binnen wijde grenzen variëren. Uiteraard dient de te gebruiken hoeveelheid van de vaste deeltjes aan het beschikbare reactorvolume te zijn aangepast. In de praktijk zijn goede resultaten behaald met silicadeeltjes van 3,0 mm en 1,8 mm diameter, alsmede met katalysatordeeltjes van 3,0 mm diameter.

De tijdens het bedrijf van de reactor te gebruiken gasstroom dient een debiet te hebben dat voldoende is om de vaste deeltjes in zwevende toestand te houden. Dit betekent dat de gassnelheid nabij de inlaat onderin de reactieruimte groter moet zijn dan de valsnelheid van de deeltjes, welke valsnelheid onder meer afhangt van de deeltjesdiameter, het dichtheidsverschil tussen de deeltjes en het gas, en de temperatuur. Het benodigde minimumdebiet kan gemakkelijk experimenteel worden bepaald. Een maximaal debiet valt moeilijk aan te geven, omdat dit afhankelijk is van de geometrie van de reactor en de massa van het zwevende bed.

Zoals vermeld, kunnen de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding toepassing vinden op uiteenlopende gebieden. Eén van deze toepassingen, namelijk de verwijdering van Ν0χ uit rookgassen, zal thans nader worden beschreven.

*

De verwijdering van stikstofoxiden uit rookgassen kan geschieden door katalytische reductie van de stikstofoxiden met ammoniak onder vorming van stikstof en waterdamp volgens de vergelijking 4Ν0χ + 4NH3 + 02 - 4N2 + 6H20.

De reactie wordt gewoonlijk uitgevoerd bij een temperatuur van 400 tot 700°K in tegenwoordigheid van een vaste katalysator. Bekend zijn processen waarbij een gasstroom, bestaande uit een mengsel van rookgassen en ammoniak, door een vast bed van de katalysator of langs een katalysatorwand wordt gevoerd, alsook processen waarbij vaste katalysator-deeltjes in een reactor omlaag stromen terwijl de uit een mengsel van rookgassen en ammoniak bestaande gasstroom in dwarsrichting door de stroom katalysatordeeltjes wordt gevoerd.

Een dergelijke reactie laat zich gemakkelijk uitvoeren met de reactor van fig. 1. Men brengt dan de deel-tjesvormige katalysator in het voorraadvat 5 en voert de katalysatordeeltjes met behulp van de injecteur naar het ondereinde van de reactor, terwijl men via de gasinlaat 2 en de gasuitlaat 3 een mengsel van rookgassen en ammoniak door de reactor voert met een snelheid die voldoende is om de katalysatordeeltjes in zwevende toestand te brengen. De katalysatordeeltjes zullen dan op de beschreven wijze in de reactor een zwevend bed vormen, waarin een goed contact tussen katalysator en gasmengsel en daardoor een snel verloop van de katalytische reductiereactie mogelijk is.

De uitvinding wordt nader verduidelijkt door de volgende, niet beperkende voorbeelden.

VOORBEELD I

De gebruikte inrichting omvatte een schachtvormige reactor uit polymethylmethacrylaat van 2 meter hoogte en 70 liter inhoud. Deze reactor had een vierkante dwarsdoorsnede met een breedte onderaan van 10,4 cm en bovenaan van 26,0 cm. Inwendig waren 16 horizontale roosters, elk met 67% vrije doorlaat, aangebracht op zodanige onderlinge afstand dat daartussen compartimenten van 2,5 liter werden gevormd. Het eerste rooster bevond zich op 23 cm hoogte en het laatste rooster op 152 cm hoogte.

Onder de reactor bevond zich een voorraadvat van 5 liter voor de deeltjesvormige vaste stof.

In deze reactor werden experimenten uitgevoerd met drie soorten bolvormige vaste deeltjes, namelijk: silica, 3,0 mm diameter, dichtheid 676,6 kg/m3, silica, 1,8 mm diameter, dichtheid 631,5 kg/m3, katalysator, 3,0 mm diameter, dichtheid 866,3 kg/m3.

De gebruikte gasstroom bestond uit lucht en had een debiet van 400 m3 per uur, dat voor sommige experimenten tot 500, resp. 600 m3 per uur kon worden opgevoerd.

Bij alle experimenten werd in de reactor een zwevend bed van vaste deeltjes in gas gevormd, voor het grootste deel bestaande uit een ijle 'fase en voor een klein deel uit een dichte fase die in laagvorm op de meeste roosters aanwezig was.

De diverse typen vaste deeltjes gaven slechts geringe verschillen in gedrag te zien. Bij de silicadeeltjes van 1,8 mm was het vaste stofgehalte in het zwevende bed iets geringer dan bij de andere typen deeltjes.

Bij variatie van de ingebrachte hoeveelheid vaste deeltjes bleek dat de reactor bij een toenemende hoeveelheid vaste deeltjes tot grotere hoogte wordt gevuld. Elk compartiment tussen twee roosters bleek namelijk slechts een bepaalde hoeveelheid vaste deeltjes te kunnen bevatten.

Bij vergroting van het debiet van de gasstroom bleek het zwevende bed van vaste deeltjes zich over een groter aantal compartimenten uit te strekken. Bovendien begon het zwevende bed dan op grotere hoogte in de reactor. Aangezien de reactieruimte in de reactor op grotere hoogte een grotere dwarsdoorsnede vertoonde, werd de totale hoogte van het zwevende bed bij vergroting van het debiet korter.

Werd aan de gasstroom vliegas toegevoegd, dan werd dit met de gasstroom mee door de reactor gevoerd, zonder door de vaste deeltjes te worden gehinderd.

Uit deze experimenten blijkt dat de werkwijze en de inrichting volgens de uitvinding bij talrijke typen vaste deeltjes en bij variërende omstandigheden kan worden toegepast.

VOORBEELD II

Voor proeven aangaande de verwijdering van stikstofoxiden uit rookgassen werd een inrichting gebruikt met een schachtvormige reactor uit roestvrij staal van 3 m hoogte en 160 1 inhoud. Deze reactor had een vierkante doorsnede met een breedte van 9,1 cm aan de onderzijde en 32,5 cm aan de bovenzijde. Inwendig waren 30 horizontale roosters, elk met 67% vrije doorlaat aangebracht op zodanige afstand dat daartussen compartimenten van 2,5 1 inhoud werden gevormd. Het eerste rooster bevond zich op 16,5 cm hoogte en het laatste op 223 cm hoogte.

Onder de reactor bevond zich een voorraadvat van 20 1 inhoud voor de deeltjesvormige vaste stof.

Als deeltjesvormige vaste stof werd een katalysator voor de reductie van stikstofoxiden (denoxkatalysator) gebruikt met bolvormige deeltjes van 3,0 mm diameter. Deze deeltjes werden met behulp van een injecteur in de reactieruimte gebracht.

De gebruikte gasstroom bestond uit rookgassen waaraan ammoniak was toegevoegd en werd met een debiet van 200 Nm3/h bij een temperatuur van 573°K onderin de reactor gevoerd. De samenstelling van de rookgassen blijkt uit de volgende tabel: TABEL 1

Bestanddelen: Volume: N2 72% H20 16% C02 8% 02 4% ΝΟχ 500 ppm N02 10 ppm CO 5 ppm as ’ 10 g/m3

In de reactor stelde zich een zwevend bed van vaste katalysatordeeltjes in, waardoor de reactie tussen ammoniak en stikstofoxiden in de gasstroom katalytisch werd bevorderd. Het gehalte aan resterende stikstofoxiden in de uittredende gasstroom werd gemeten. De resultaten zijn weergegeven in de figuren 3 en 4 van de tekening.

Fig. 3 geeft de NOx-conversie als functie van de hoeveelheid katalysator die zich in de reactor bevond. De metingen werden uitgevoerd bij een reactortemperatuur van 573°K en een molaire verhouding van 0,8 voor NH3/N0X aan de inlaatzijde van de reactor.

Fig. 4 geeft de NOx-conversie als functie van de molaire verhouding van ΝΗ3/ΝΟχ aan de inlaatzijde van de reactor bij een temperatuur van 573°K en een hoeveelheid katalysator van 3 kg in de reactor.

Uit de resultaten blijkt dat afhankelijk van de hoeveelheid katalysator in de reactor en van de molaire verhouding ΝΗ3/ΝΟχ een NOx-conversie van 0-40% kan worden bereikt.

Claims (17)

1. Werkwijze voor het uitvoeren van chemische en/of fysische reacties door middel van vaste stof/gascontact, met het kenmerk, dat men een deeltjesvormige vaste stof met deeltjesafmetingen tussen circa 0,5 en circa 5 mm in een schachtvormige, naar boven toe wijder wordende en door dwars op de lengteas geplaatste roosters in compartimenten verdeelde reactieruimte brengt, en tevens een gasstroom in opwaartse richting door de reactieruimte voert met een debiet dat voldoende is om de vaste deeltjes in zwevende toestand te houden en de gewenste reacties door middel van vaste stof/gascontact te laten verlopen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vaste deeltjes bolvormig of nagenoeg bolvormig zijn.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de deeltjesvormige vaste stof bestaat uit silica met deeltjesafmetingen van 3,0 mm of 1,8 mm diameter.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men een mengsel van twee deeltjesvormige vaste stoffen gebruikt.

5. Werkwijze volgens conclusie l, met het kenmerk, dat men de deeltjesvormige vaste stof tijdens het bedrijf continu aan de reactieruimte toevoert en eveneens continu uit de reactieruimte afvoert.

6. Inrichting voor het uitvoeren van chemische en/of fysische reacties door middel van vaste stof/gascontact, gekenmerkt door een reactor met een schachtvormige, naar boven toe wijder wordende en door dwars op de lengteas geplaatste roosters in compartimenten verdeelde reactieruimte, welke reactor een inlaat voor deeltjesvormige vaste stof, alsmede een aan de onderzijde gelegen gasinlaat en een aan de bovenzijde gelegen gasuitlaat heeft.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de reactor bestaat uit een langgerekt opstaand vat, met wanden die een hellingshoek van hooguit 10° met de lengteas van het vat maken, en met dwars op de lengteas binnen het vat geplaatste roosters, die de inwendige ruimte in compartimenten verdelen.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het reactorvat een vierkante dwarsdoorsnede heeft.

9. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de reactor een langgerekt opstaand vat met evenwijdig aan de lengteas van het vat lopende wanden omvat, alsmede een centraal in het reactorvat geplaatst langgerekt lichaam, waarvan de dwarsdoorsnede naar boven toe geringer wordt, en in de ruimte tussen het centrale lichaam en de wanden van het reactorvat dwars op de lengteas van het vat geplaatste roosters die de inwendige ruimte in het vat in compartimenten verdelen.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het reactievat en het centrale lichaam in dwarsdoorsnede rond zijn.

11. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de wand van het centrale lichaam een hellingshoek van hooguit 10° met de lengteas van dat lichaam maakt.

12. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het centrale lichaam in het reactorvat op en neer beweegbaar is aangebracht, terwijl de roosters uitsluitend aan dat centrale lichaam zijn bevestigd.

13. Inrichting volgens conclusie 6-12, met het kenmerk, dat de roosters in de reactieruimte een vrije doorlaat van 60-75% hebben. '··»

14. Inrichting volgens conclusie 6-13, met het kenmerk, dat de inlaat voor deeltjesvormige vaste stof zich aan de onderzijde van het reactievat bevindt.

15. Inrichting volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat de inlaat voor deeltjesvormige vaste stof een met gas bedreven injecteur omvat.

16. Inrichting volgens conclusie 6-13, met het kenmerk, dat de inlaat voor deeltjesvormige vaste stof zich bevindt op een plaats in de reactorwand, terwijl op een hoger of lager gelegen plaats in de reactorwand een uitlaat voor deeltjesvormige vaste stof aanwezig is.

17. Werkwijze voor het verwijderen van stikstofoxiden uit rookgassen, met het kenmerk, dat men een deel-tjesvormige vaste katalysator met deeltjesafmetingen tussen circa 0,5 mm en circa 5 mm in een schachtvormige, naar boven toe wijder wordende en door dwars op de lengteas geplaatste roosters in compartimenten verdeelde reactieruimte brengt en tevens een mengsel van rookgassen en ammoniak in opwaartse richting door die reactieruimte voert met een debiet dat voldoende is om de katalysatordeeltjes in zwevende toestand te houden en onder invloed van de katalysator een omzetting van stikstofoxiden uit de rookgassen met ammoniak tot stand te brengen.