Acetylene Generation Patent_us6294148

8/12/2019 Acetylene Generation Patent_us6294148

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US006294148B11 2 ) United States Patent 1 0 ) P a t e n t N 0 . : U S 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B1

Bunger e t a l . ( 4 5 ) D a t e o f P a t e n t : S e p . 2 5 , 2 0 0 1

5 4 ) PROCEss FOR HIGH RECOVERY OF 5 6 ) R e f e r e n c e s C i t e dACETYLENE AND LIME FROM THEREACTION OF CALCIUM CARBIDE WITH U - S - PATENT DOCUMENTSWATER 4,444,159 4/1984 Earl . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48/37

5 , 0 8 2 , 6 4 4 1 / 1 9 9 2 Bunger e t a l . . 423/4977 5 ) I n v e n t o r s : James W. B u n g e r ; C h r i s t o p h e r P . 5 , 2 8 4 , 6 3 0 2 / 1 9 9 4 B u n g e r e t a l . 4 2 2 / 1 8 9R u s s e l l , b o t h o f S a l t Lake C i t y ; J e r a l d 5 , 9 5 5 , 0 4 0 9 / 1 9 9 9 B u n g e r e t a l . 4 2 2 / 1 8 9W, Wiser, Kaysv?le; Jesse C, T s a i , 5 , 9 9 7 , 8 3 3 * 1 2 / 1 9 9 9 Bunger e t a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 3 / 4 3 2S a l t Lake C i t y , a l l o f UT U S ) * C i t e d by e x a m i n e r

( 7 3 ) A s s i g n e e : J a m e s W . B u n g e r & s s o c i a t e s , I n c . ,W e s t V a l l e y C i t y , UT U s ) P r i m a r y E x a m z n e r S t e v e n B o s7 4 ) A t t o r n e y , A g e n t , o r FirmJames L a w r e n c e S o n n t a g( * ) N o t i c e : S u b j e c t t o a n y d i s c l a i m e r , t h e t e r m o f t h i s 5 7 ) ABSTRACT

p a t e n t i s e x t e n d e d o r a d j u s t e d u n d e r 3 5USC 5 4 ( ( , ) b y ) d a y s _ A r o c e s s f o r c o n t r o l l i n g t h e c o n t i n u o u s p r o d u c t i o n o f

a c e t y l e n e a n d h y d r a t e d l i m e f r o m t h e r e a c t i o n o f W a t e r W i t h2 1 ) A p p 1 _ N O _ , 0 9 / 3 9 9 , 5 6 4 c a l c i u m c a r b i d e i s d i s c l o s e d W h e r e t h e h y d r a t e d l i m e i sWithdraWn t a d e s i r e d mass r a t i o o f t h e h y d r a t e d l i m e t o t h e2 2 ) F i l e d : S e p . 2 0 , 1 9 9 9 c a l c i u m c a r b i d e f e e d . T h e p r o c e s s i s a l s o c o n t r o l l e d b y

r e g u l a t i n g t h e t e m p e r a t u r e s o t h a t i t i s i n d e p e n d e n t o f t h eR e l a t e d U - S - A p p l i c a t i o n D a t a v a r i a t i o n s i n t h e p r o d u c t i o n o f a c e t y l e n e b y r e g u l a t i n g h e a t_ _ _ _ _ transfer to the environment at a rate to maintain a constant( 6 2 ) 1 1 3 9 1 5 1 7 5 1 0 0 f p a p p k l c a t g o g s g k a g s / s s o a 9 3 3 : ? l e d o n J u n ~ 2 3 : t e m p e r a t u r e i n t h e r e a c t o r . P r e f e r a b l y , t h e r e a c t i o n i s c o n

now a t 0 ' t r o l l e d b y Withdrawing t h e hydrated lime s l u r r y product a t a5 1 ) I n t . C l . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C10H / 0 0 ; C 0 1 F 1 / 0 0 r a t e loW enough t o m a i n t a i n a s l u r r y c o n c e n t r a t i o n o f5 2 ) U . S . C l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 3 / 6 3 6 ; 4 8 / 2 1 6 h y d r a t e d l i m e above a b o u t 1 4 W e i g h t p e r c e n t .5 8 ) Field of Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423/636, 635;

4 8 / 2 1 6 , 2 1 7 , 3 8 , 2 3 4 8 C l a i m s , 1 0 Drawing S h e e t s


2/26

U.S . Patent S e p . 2 5 , 2 0 0 1 S h e e t 1 0 f 1 0 U S 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B1

: 2w h < > >Q M M E Qt z i m b do m mo m mo w vo m mo m mo m ?0 wkwwWO

_

A 8 22 2 2 8 .2. 3 . 8:. 22: 2 :53 2u h2 .- 0i n z ;5 30 . 5 5 2 5 .m m m c h_O _ m m m > z O oQ m m < o5 . 0 . 2 0.M D O E

'NOISUHANOO


3/26


Y

m < m_n -

a m i s s_z m _ > E o


4/26


F i g u r e 3120 117

1 1 0112 1071 0 2

1 0 31 2 21 2 1 102113 109108 1 0 61 7 1104 1 0 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

1 1 6H5


5/26


F i g u r e 4


6/26


F i g u r e 5A c e t y l e n e

Carbide 203 D o w n S t r e a mL g1 _ l l _ _ L sr e s h :4 2 0 7 g ,water I 2.116 .

5 120 . . . . . . , Unit-process;@ C o n t r o l l e rIk 4 i-_h e2 1 3 z i : I , 1 1 8 L 5 2 0 1

" 1101 204

3 43 _. lme. b s l u r r y

209 205142


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U . S . P a t e n t

. _ v - - . - . . - . . . .

+s i g n a l t os l u r r yc o n t r o lv a l v e

S e p . 2 5 , 2 0 0 1 S h e e t 6 0 f 1 0 US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B 1

F i g u r e 6A c e t y l e n e

demandl 3 0 3 -

. - ~ - . - . . - . . - . - - . . .

U n i t - p r o c e s sC o n t r o l l e r

3 0 1

3 1 1


8/26


F i g u r e 7

c o l df r e s hprocess

154 water

warmf r e s hp r o c e s swater

w a t e r 1 53

warm1 4 3 f r e s h l i m e s l u r r y

p r o c e s swater


9/26


10/26

2 33 .: :8 *m ma nw no mn ?2m

S e p . 2 5 , 2 0 0 1 S h e e t 9 0 f 1 0 US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B 1. S . P a t e n t

5 5 5 2 82 0 5 5 15 5 82 0 2 0E D Q E

. I O J Q I L I B J B G L I O S . I B A U O D


11/26

U.S . Patent S e p . 2 5 , 2 0 0 1 S h e e t 1 0 0 f 1 0 U S 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B1

m 6

32v . 066. 0

l

Io d. . op 66Iw d61m d

2 .u s 0 E

v . 0a e s / w a ) A


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US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B11

PROCESS FOR HIGH RECOVERY OFACETYLENE AND LIME FROM THE

REACTION OF CALCIUM CARBIDE WITHWATER

RELATED APPLICATIONST h i s a p p l i c a t i o n i s a d i v i s i o n a l o f US. p a t e n t a p p l i c a t i o n

S e r . N o . 0 8 / 8 8 0 , 9 3 3 , ? l e d Jun 2 3 , 1 9 9 7 , now U S . P a t . No.5 , 9 5 5 , 0 4 0 .STATEMENT REGARDING FEDERALLY

SPONSORED RESEARCH OR DEVELOPMENT( N o t a p p l i c a b l e )

F I E L D OF THE INVENTIONT h i s i n v e n t i o n r e l a t e s t o a n a p p a r a t u s , c o n t r o l , a n d p r o

c e s s f o r t h e p r o d u c t i o n o f a c e t y l e n e a n d h y d r a t e d l i m e b y t h er e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b i d e W i t h W a t e r .

BACKGROUND OF THE INVENTIONI n a t y p i c a l Wet r o c e s s f o r m a n u f a c t u r e o f a c e t y l e n e from

c a l c i u m c a r b i d e , p a r t i c l e s o f c a l c i u m c a r b i d e a r e i n t r o d u c e dt o an excess of Water in a reactor vessel on a continuous ors e m i - c o n t i n u o u s ( o n / o f f ) b a s i s . W a t e r i s a d d e d c o n t i n u o u s l yt o t h e r e a c t o r and a c e t y l e n e and a h y d r a t e d c a r b i d e l i m es l u r r y a r e WithdraW n from t h e r e a c t o r on a continuous b a s i s .A y s t e m i s p r o v i d e d f o r s t i r r i n g t h e c o n t e n t s o f t h e r e a c t o rt o mix t h e calcium c a r b i d e With t h e Water and t o m a i n t a i n am o r e - o r - l e s s u n i f o r m s l u r r y o f h y d r a t e d c a r b i d e l i m e .Because t h e r e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b i d e W i t h W a t e r i se x o t h e r m i c , t h e t e m p e r a t u r e m u s t b e c o n t r o l l e d , t y p i c a l l y b yt h e r a t e a t Which f r e s h W a t e r i s a d d e d . A r e a t e r r a t e o f Watera d d i t i o n r e s u l t s i n c o o l e r t e m p e r a t u r e s and a l e s s e r r a t e o fWater a d d i t i o n r e s u l t s i n Warmer t e m p e r a t u r e s .

There a r e s e v e r a l u n d e s i r a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p r oc e s s o f t h e p r i o r a r t . These i n s u m m a r y a r e :

1 . Some a c e t y l e n e y i e l d i s l o s t t h r o u g h t h e p r e m a t u r ed i s c h a r g e o f u n r e a c t e d c a l c i u m c a r b i d e .

2 . Some a c e t y l e n e y i e l d i s l o s t t h r o u g h t h e s o l u b i l i t y o fa c e t y l e n e i n t h e l a r g e v o l u m e o f W a t e r p a s s i n g t h r o u g ht h e r e a c t o r .

3 . O p e r a t i o n a l d i f ? c u l t i e s o c c u r d u e t o l a r g e , s o l i d i n e r tp a r t i c l e s t h a t e n t e r t h e s y s t e m a n d i n t e r f e r e W i t h t h es t i r r i n g mechanism a n d d i s c h a r g e pumps a n d v a l v e s .

4 . The o v e r a l l p r o c e s s e f ? c i e n c y i s r e d u c e d b e c a u s e a loWc o n c e n t r a t i o n o f h y d r a t e d l i m e i n t h e d i s ch a r g e s t r e a mr e s u l t s i n loW c o n t a c t t i m e s i n t h e r e a c t o r and poor useo f t h e r e a c t o r s p a c e .

5 . The h y d r a t e d c a r b i d e l i m e v a l u e i s r e d u c e d d u e t o t h ep r e s e n c e o f g r a n u l a r i m p u r i t i e s a n d v a r i a b l e h y d r a t e dl i m e c o n c e n t r a t i o n s .

These c h a r a c t e r i s t i c s a r e described f u r t h e r a s f o l l o W s :D i s c h a r g e o f U n r e a c t e d C a r b i d e b r e a k t h r o u g h )

I n a t y p i c a l r e a c t o r c o n ? g u r a t i o n t h e r e a c t i o n k i n e t i c s a r ea p p r o x i m a t e d by a C o n s t a n t FloW S t i r r e d Tank R e a c t o rC F S T R ) . A c c o r d i n g t o L e v e n s p i e l , C h e m i c a l R e a c t i o n

E n g i n e e r i n g , 2 n d E d i t i o n , J o h n W i l e y a n d S o n s . I n c . 1 9 7 2 ,C h a p t e r 5 , p a g e 9 7 . [ o n e t y p e o f ] i d e a l s t e a d y - s t a t e ?oWr e a c t o r i s c a l l e d t h e mixed r e a c t o r , t h e backmix r e a c t o r , t h ei d e a l s t i r r e d t a n k r e a c t o r , o r t h e CFSTR c o n s t a n t ?oWs t i r r e d t a n k r e a c t o r ) a n d , a s t h e name s u g g e s t s , i t i s a r e a c t o ri n Which t h e c o n t e n t s a r e W e l l s t i r r e d and uniform t h r o u g ho u t . Thus t h e e x i t stream from t h i s r e a c t o r has t h e samec o m p o s i t i o n a s t h e ?uid W i t h i n t h e r e a c t o r . We e f e r t o t h i s

10

1 5

20

25

35

40

50

55

60

2t y p e o f How a s mixed ? o W , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g r e a c t o r ,t h e mixed r e a c t o r , o r t h e mixed ?oW r e a c t o r . M o s t , i f n o ta l l , c o m m e r c i a l l y p r a c t i c e d W e t a c e t y l e n e p r o c e s s e sa p p r o x i m a t e t h e CFSTR c o n ? g u r a t i o n .

I n t h e CFSTR t h e r e i s u n r e a c t e d c a r b i d e t h a t i s mixedt h r o u g h o u t t h e r e a c t o r . The p a r t i c l e s i Z e o f t h e u n r e a c t e dc a r b i d e v a r i e s f r o m l a r g e r , r e c e n t l y i n t r o d u c e d p a r t i c l e s t os m a l l e r l e s s - r e c e n t l y i n t r o d u c e d p a r t i c l e s t h a t a r e n e a r i n g t h ecompletion o f r e a c t i o n . I n a n i d e a l CFSTR some o f t h e s es m a l l e r u n r e a c t e d p a r t i c l e s W i l l b e d i s c h a r g e d W i t h t h eh y d r a t e d l i m e s l u r r y . Any a c e t y l e n e g e n e r a t e d b y a p a r t i c l ea f t e r i t h a s been d i s c h a r g e d from t h e r e a c t o r m a y b e l o s t t ot h e a t m o s p h e r e . T h e p r e m a t u r e d i s c h a r g e o f u n r e a c t e d p a rt i c l e s i s r e f e r r e d t o a s b r e a k t h r o u g h a n d , i f t h e r e a c t i o nk i n e t i c s a r e knoWn, t h e e x t e n t t o Which breakthrough o c c u r scan be e s t i m a t e d through c a l c u l a t i o n s a b o u t an i d e a lCFSTR.

P r a c t i c a l evidence a s Well a s t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ofCFSTR k i n e t i c s shoWs t h a t t h i s b r e a k t h r o u g h c a n b e s i gn i ? c a n t . While t h e a c t u a l amount o f b r e a k t h r o u g h i s a f f e c t e db y t h e p a r t i c l e s i Z e o f t h e c a r b i d e f e e d , t h e h y d r o d y n a m i cb e h a v i o r o f a c a r b i d e p a r t i c l e r e a c t i n g t o f o r m a c e t y l e n e , t h ei n t e r n a l c o n ? g u r a t i o n o f t h e r e a c t o r and t h e i n h e r e n t r e a ct i v i t y o f t h e c a l c i u m c a r b i d e , t h e a m o u n t o f b r e a k t h r o u g hi n c r e a s e s a s t h e s p a c e v e l o c i t y o f t h e r e a c t o r i n c r e a s e s .S p a c e v e l o c i t y i s d e ? n e d c o n v e n t i o n a l l y a s t h e number o fr e a c t o r volumes d i s p l a c e d i n one h o u r .

F I G . 1 i s a g r a p h s h o W i n g t h e m a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h i pb e t W e e n t h e s p a c e v e l o c i t y a n d b r e a k t h r o u g h , a s s u m i n gi d e a l b e h a v i o r a n d r e l y i n g on p u b l i s h e d d a t a f o r CFSTRk i n e t i c s . F o r r e a c t o r s o f s p a c e v e l o c i t i e s e q u a l i n g f o u r o rg r e a t e r 4 0 0 0 l i t e r / h r . i n F I G . 1 ) , t h e i d e a l c o n v e r s i o n i sa b o u t 96% o r l e s s , Which means h a t t h e b r e a k t h r o u g h l o s s e sa r e g r e a t e r t h a n 4 f t h e a c e t y l e n e t h a t i s p r o d u c e d f r o ma g i v e n c a r b i d e f e e d . Most commercial r e a c t o r s i n o p e r a t i o nt o d a y o p e r a t e a t a s p a c e v e l o c i t y g r e a t e r t h a n f o u r , W h i c hmeans t h a t t h e breakthrough l o s s e s a r e even g r e a t e r .D i s s o l u t i o n L o s s e s

A n o t h e r p r o b l e m W i t h t r a d i t i o n a l t e c h n o l o g i e s i s t h el o s s e s o f a c e t y l e n e t o d i s s o l u t i o n i n W a t e r . F I G . 2 shoWs t h es o l u b i l i t y o f a c e t y l e n e i n W a t e r a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r ef o r t h r e e commonly o p e r a t e d p r e s s u r e s . I t may r e a s o n a b l yb e a s s u m e d t h a t t h e W a t e r o f t h e h y d r a t e d l i m e d i s c h a r g es l u r r y i s s a t u r a t e d i n a c e t y l e n e , a n d u n l e s s t h i s W a t e r i sr e c y c l e d t o t h e s y s t e m , a l l o f t h e a c e t y l e n e d i s s o l v e d i n t h eW a t e r W i l l e v e n t u a l l y b e l o s t t o t h e a t m o s p h e r e . The amounto f a c e t y l e n e c o n t a i n e d i n t h e d i s c h a r g e h y d r a t e d l i m e s l u r r yc a n b e c a l c u l a t e d by knoWing t h e amount o f W a t e r e x i t i n gt h e r e a c t o r and i t s o u t l e t t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e . Even i fsome o f t h e Water i s r e c y c l e d t o t h e r e a c t o r t h e open v e s s e l sWhich s e r v e a s s e t t l i n g t a n k s t o t h i c k e n t h e h y d r a t e d l i m e a r ee x p o s e d t o t h e a t m o s p h e r e a n d a l a r g e p o r t i o n o f t h ea c e t y l e n e s o d i s s o l v e d i s l o s t .

To i l l u s t r a t e , i f p u r e c a l c i u m c a r b i d e (MW=64) s r e a c t e dt o f o r m a c e t y l e n e (MW=26) W i t h e n o u g h W a t e r t o r e s u l t i na 5 h y d r a t e d l i m e (MW=74) s l u r r y , t h e amount o f W a t e r? o W i n g f r o m t h e o u t l e t p e r Kg o f a c e t y l e n e p r o d u c e d W i l lb e :

( 1 . 0 5 ) = 54 Kg-Water/Kg- Acetylene40 . 0 5 *26

Assuming t h a t t h e o u t l e t t e m p e r a t u r e i s 5 0 C . a n d t h er e a c t o r p r e s s u r e i s 0 . 3 a t m - g a u g e ( a t y p i c a l s e t o fc o n d i t i o n s ) , t h e a m o u n t o f a c e t y l e n e c o n t a i n e d i n 5 4 Kg o fW a t e r i s 0.09% o r 0 . 0 5 K g . Thus a b o u t 5 f t h e a c e t y l e n eg e n e r a t e d i s l o s t t o t h e a t m o s p h e r e t h r o u g h t h e d i s s o l u t i o n i n


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US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B13

W a t e r . T h i s l o s s i s i n a d d i t i o n t o t h e a c e t y l e n e l o s t a s a r e s u l to f b r e a k t h r o u g h o f u n r e a c t e d p a r t i c l e s .O p e r a t i o n a l D i f ? c u l t i e sA n o t h e r p r o b l e m W i t h c o n v e n t i o n a l t e c h n o l o g i e s p e r t a i n st o t h e o p e r a t i o n a l d i f ? c u l t i e s c r e a t e d When n o n - r e a c t i v em a t e r i a l s a r e i n t r o d u c e d a l o n g W i t h t h e c a l c i u m c a r b i d e .These u n r e a c t i v e m a t e r i a l s , Which a r e p r e s e n t i n a l l comm e r c i a l l y a v a i l a b l e c a l c i u m c a r b i d e m a t e r i a l s , u s u a l l y comp r i s e i n e r t c o k e , s o l i d f e r r o s i l i c a t e a n d o t h e r m e t a l l i c o rm i n e r a l p a r t i c l e s . T h e s e a r e m a t e r i a l s i n t r o d u c e d W i t h t h el i m e s t o n e o r coke f e d t o t h e f u r n a c e s t h a t manufacturec a l c i u m c a r b i d e a n d a r e c a r r i e d t h r o u g h t o t h e ? n a l p r o d u c t .These i n e r t m a t e r i a l s a c c u m u l a t e i n t h e r e a c t o r and i f n o tr e m o v e d W i l l e v e n t u a l l y i n t e r f e r e W i t h t h e s t i r r i n g mechan i s m a n d d i s c h a r g e pumps o r v a l v e s , c a u s i n g m e c h a n i c a lb r e a k d o w n . S m a l l e r p a r t i c l e s t h a t d o n o t r a p i d l y s e t t l e a r ec a r r i e d t h r o u g h t o t h e s e t t l i n g t a n k s W h e r e t h e y maya c c u m u l a t e , c a u s i n g d i f ? c u l t i e s W i t h t h e d i s c h a r ge s y s t e m .L o s s o f P r o c e s s E f ? c i e n c y

A n o t h e r problem o f t r a d i t i o n a l s y s t e m s i s t h a t t h e c o nc e n t r a t i o n o f h y d r a t e d l i m e i n t h e r e a c t o r i s k e p t l o W , u s ua l l yb e l o W a b o u t 1 0 W e i g h t p e r c e n t , t o r e d u c e p r e m a t u r e s e t t l i n go f h y d r a t e d l i m e , i . e . , t o k e e p t h e s l u r r y o f t h e h y d r a t e d l i m ep r e c i p i t a t e i n a f r e e - ? o W i n g s t a t e . I f a l l o W e d t o s e t t l e t h eh y d r a t e d l i m e Would e s u l t i n p l u g g i n g o f d i s c h a r g e l i n e s o rc r e a t e u n m a n a g e a b l e a c c u m u l a t i o n s o f h y d r a t e d l i m e i n t h er e a c t o r , o r b o t h . LoW h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n s a l s or e s u l t from t h e manner i n Which t e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e d .I n a t y p i c a l p r o c e s s , t e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e d a t 5 0 C . I f t h et e m p e r a t u r e b e g i n s t o r i s e , t h e u s u a l p r o c e d u r e i s t o i n c r e a s et h e r a t e o f W a t e r f e e d , Which b r i n g s doWn t h e t e m p e r a t u r e ,b u t a l s o h a s t h e u n d e s i r a b l e r e s u l t o f f u r t h e r d i l u t i n g t h eh y d r a t e d l i m e o ut p u t s t r e a m . I n h o t W e a t h e r , W h e r e h e a tl o s s e s t o t h e e n v i r o n m e n t a r e r e d u c e d , a n d f o r v e r y l a r g es y s t e m s , t h e h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n i n t h e o u t p u tstream can f a l l t o a s l i t t l e a s 3 Weight p e r c e n t .

T h e o p e r a t i o n a l r e q u i r e m e n t f o r l o W c o n c e n t r a t i o n s o fh y d r a t e d l i m e r e q u i r e s l a r g e r r e a c t o r s f o r a g i v e n s p a c e r a t eo r a h i g h e r s p a c e r a t e f o r a g i v e n r e a c t o r s i Z e . L a r g e r r e a c t o r sr e q u i r e g r e a t e r c a p i t a l c o s t s . H i g h e r s p a c e r a t e s r e s u l t i ng r e a t e r b r e a k t h r o u g h . LoW h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n sa l s o r e s u l t i n a g r e a t e r p e r u n i t W a t e r t h r o u g hp u t i n c r e a s i n gt h e l o s s e s d u e t o s o l u b i l i t y . The combined l o s s e s d u e t o t h e s ee f f e c t s a r e t y p i c a l l y 8 t o 12%, Which means t h a t o n l y 88 t o92% o f t h e a c e t y l e n e p r o d u c e d b y a g i v e n c a l c i u m c a r b i d ei s r e c o v e r e d . F i n a l l y , t h e r e s u l t i n g h y d r a t e d l i m e d i s c h a r g es t r e a m must b e s e n t t o l a r g e r h o l d i n g v e s s e l s i n o r d e r t op r o v i d e a d e q u a t e r e s i d e n c e t i m e f o r t h e h y d r a t e d l i m e t ot h i c k e n f o r s u b s e q u e n t u s e o r d i s p o s a l . These v e s s e l s occupymore l a n d a n d r e q u i r e t h e n e e d f o r a d d i t i o n a l c a p i t a l i n v e s tment.L o s s o f C a l c i u m H y d r o x i d e P r o d u c t V a l u e

P a r t i c u l a t e i m p u r i t i e s c o n t a i n e d i n t h e c a l c i u m c a r b i d e a r ec a r r i e d i n t o t h e h y d r a t e d l i m e p r o d u c t u n l e s s t h e y a r e ? l t e r e do u t a t some expense and o p e r a t i o n a l e f f o r t . These s m a l lp a r t i c l e i m p u r i t i e s may a d v e r s e l y a f f e c t t h e v a l u e o f t h eh y d r a t e d l i m e f o r d o W n s t r e a m u t i l i Z a t i o n . I n g e n e r a l , t h ev a l u e o f h y d r a t e d l i m e i m p r o v e s i f t h e g r a n u l a r i m p u r i t i e sa r e r e d u c e d i n b o t h s i Z e a n d q u a n t i t y . The v a l u e o f h y d r a t e dl i m e a l s o i m p r o v e s W i t h c o n c e n t r a t i o n a n d W i t h c o n s i s t e n c yi n c o n c e n t r a t i o n . Most doWnstream u s e s r e q u i r e t h e t r a n sp o r t a t i o n o f t h e h y d r a t e d l i m e a n d t h e g r e a t e r t h ec o n c e n t r a t i o n , t h e more Ca(OH)2 i s t r a n s p o r t e d p e r t o n o fs l u r r y . I n c o m m e r c i a l p r a c t i c e o f t h e p r i o r - a r t , l i t t l e i fa n y t h i n g i s d o n e t o s e g r e g a t e s m a l l p a r t i c l e i m p u r i t i e s . I na d d i t i o n , p r o c e s s e s t o i n c r e a s e t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h eh y d r a t e d l i m e a r e s e p a r a t e from t h e r e a c t o r a n d add a d d it i o n a l c a p i t a l a n d o p e r a t i n g c o s t s .

10

1 5

25

35

45

55

6 5

4O b j e c t s o f t h e I n v e n t i o nA n o b j e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s t o r e d u c e t h ea f o r e m e n t i o n e d p r o b l e m s o f a ) l o s s o f a c e t y l e n e d u e t ob r e a k t h r o u g h , b ) l o s s o f a c e t y l e n e d u e t o s o l u b i l i t y , c )o p e r a t i o n a l d i f ? c u l t i e s d u e t o i n e r t m a t e r i a l s , d ) l o s s o fp r o c e s s e f ? c i e n c y d u e t o l o W h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n s ,a n d e ) l o s s o f h y d r a t e d l i m e v a l u e d u e t o p a r t i c u l a t e s a n dl o W , o r v a r i a b l e , h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n s .I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n t o p r o v i d e a na p p a r a t u s a n d a p r o c e s s f o r r e a c t i n g c a l c i u m c a r b i d e W i t hW a t e r t h a t p r o v i d e s a h i g h l e v e l o f r e c o v e r y o f t h e a c e t y l e n ep r o d u c e d .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o i m p r o v e t h e l e v e lo f r e c o v e r y o f a c e t y l e n e i n t h e r e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b i d eW i t h W a t e r b y r e d u c i n g o r e l i m i n a t i n g b r e a k t h r o u g h a n dm i n i m i Z i n g t h e a c e t y l e n e d i s s o l v e d i n t h e W a t e r d i s c h a r g estream.

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d a p r o c e s s Which a l l o W s f o r h i g h c o m p l e t i o n o f r e a c t i o na n d loW b r e a k t h r o u g h o f c a l c i u m c a r b i d e i n a g i v e n r e a c t o rs p a c e .I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d p r o c e s s Which p r o v i d e s loW l o s s e s d u e t o d i s s o l u t i o n o fa c e t y l e n e .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d a p r o c e s s Which s e g r e g a t e s l a r g e p a r t i c l e s f r o m s m a l lp a r t i c l e s t h e r e b y i m p r o v i n g t h e o p e r a b i l i t y o f t h e p r o c e s sa n d t h e v a l u e o f t h e c o - p r o d u c e d h y d r a t e d c a r b i d e l i m e .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d a p r o c e s s W h i c h i m p r o v e s t h e p r o c e s s e f f i c i e n c y b yimproved u t i l i Z a t i o n o f r e a c t o r s p a c e .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d a p r o c e s s Which p r o v i d e s f o r c o n t r o l f u n c t i o n s Whicha l l o W f o r ? e x i b l e a c e t y l e n e o u t p u t W h i l e m a i n t a i n i n g as t e a d y - s t a t e h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n a n d c o n s t a n t t e mp e r a t u r e .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e c o n t r o l o ft h e p r e s s u r e o f t h e a p p a r a t u s W h i l e a l l o W i n g v a r i a b l e a c e t yl e n e p r o d u c t i o n a n d s t e a d y - s t a t e c o n c e n t r a t i o n o f h y d r a t e dl i m e a n d c o n s t a n t t e m p e r a t u re .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a p r o c e s sc o n t r o l s t r a t e g y W h i c h p r o v i d e s f o r m a i n t a i n i n g t h e p r ef e r r e d t e m p e r a t u r e a n d h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n c o n d it i o n s W h i l e v a r y i n g a c e t y l e n e o u t p u t .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a na c e t y l e n e / c a l c i u m h y d r o x i d e p r o d u c t i o n p r o c e s s i n W h i c ht h e c a l c i u m h y d r o x i d e p r o d u c t i s u n i f o r m i n q u a l i t y ( p a r t i c l es i Z e , p u r i t y a n d c o n c e n t r a t i o n ) .I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d p r o c e s s i n Which t h e h y d r a t e d l i m e p r o d u c t c a n b er e c o v e r e d f r o m t h e r e a c t o r a t h i g h Ca(OH)2 c o n c e n t r a t i o n s .I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d p r o c e s s Which m i n i m i Z e s t h e r e q u i r e m e n t s f o r i n t e r n a lmoving p a r t s a n d a s a c o n s e q u e n c e s i m p l i ? e s t h e c o n s t r u ct i o n a n d o p e r a t i o n o f t h e a p p a r a t u s .

I t i s a l s o a n o b j e c t o f t h e i n v e n t i o n t o p r o v i d e a n a p p a r a t u sa n d p r o c e s s Which m i n i m i Z e s t h e number a n d s i Z e o f p o r t s ,e x t e r n a l ? t t i n g s , a n d m o v i n g s e a l s t h r o u g h t h e p r e s s u r ev e s s e l , and a s a consequence s i m p l i ? e s t h e c o n s t r u c t i o n andi m p r o v e s t h e o v e r a l l s a f e t y a n d o p e r a b i l i t y o f t h e a p p a r a t u sand p r o c e s s .

F u r t h e r o b j e c t s o f t h e i n v e n t i o n W i l l become e v i d e n t i nt h e d e s c r i p t i o n b e l o W .BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

OvervieWThe p r e s e n t i n v e n t i o n i s a n improvement o f t h e a p p a r a t u s

a n d p r o c e s s d i s c l o s e d i n U S . P a t . N o s . 5 , 0 8 2 , 6 4 4 a n d


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US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B15

5 , 2 8 4 , 6 3 0 t o B u n g e r e t a l . B u n g e r e t a l . ) , W h i c h a r e h e r e b yi n c o r p o r a t e d by r e f e r e n c e . The B u n g e r e t a l . s y s t e m comp r i s e s t W o s u c c e s s i v e r e a c t i o n s t e p s . I n t h e ? r s t s t e p p a rt i c u l a t e calcium c a r b i d e i s c h a r g e d i n t o a n e n t r a i n e d o re b u l l a t e d ?oW p r i m a r y r e a c t o r c o n t a i n i n g W a t e r . The W a t e ri n t h e p r i m a r y r e a c t o r i s d i r e c t e d upWard o e b u l l a t e c a l c i u mc a r b i d e p a r t i c l e s . The c a l c i u m c a r b i d e p a r t i c l e s r e a c t W i t ht h e W a t e r u n t i l t h e i r s i Z e becomes s m a l l enough t o becomee n t r a i n e d a n d c a r r i e d upWard i n t h e upWard How o f W a t e r .T h e s e p a r t i c l e s o f u n r e a c t e d c a l c i u m c a r b i d e a n d t h e s o l i dc a l c i u m h y d r o x i d e r e a c t i o n p r o d u c t e n t r a i n e d i n t h e u p W a r dWater How a r e conveyed t h r o u g h a c o n d u i t t o a s e p a r a t es e c o n d a r y r e a c t o r t o c o m p l e t e t h e r e a c t i o n o f t h e c a l c i u mc a r b i d e p a r t i c l e s u n d e r p l u g ?oW c o n d i t i o n s . The c a l c i u mh y d r o x i d e p r o d u c e d i n t h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r y r e a c t o r s i sa l l o W e d t o s e t t l e i n t h e s e c o n d a r y r e a c t o r a n d i s r e c o v e r e d .A c e t y l e n e g a s g e n e r a t e d i n b o t h r e a c t o r s i s draWn o f f a b o v ee i t h e r o r both r e a c t o r s .

The Bunger e t a l . r e a c t i o n s y s t e m i s c o n t i n u o u s . Thecalcium c a r b i d e feed can be m etered i n a c o n t r o l l e d manneri n t o t h e r e a c t i o n s y s t e m . T h e c a l c i u m h y d r o x i d e i s t y p i c a l l ymuch p u r e r t h a n t h a t p r o d u c e d b y c o n v e n t i o n a l a c e t y l e n ep r o c e s s e s , b e c a u s e t h e e n t r a i n e d How n t h e p r i m a r y r e a c t o rs e r v e s t o e f f e c t i v e l y s e p a r a t e o u t p a r t i c u l a t e i m p u r i t i e s i n t r oduced W i t h t h e c a l c i u m c a r b i d e , s u c h a s o v e r s i Z e d c o k e andm i n e r a l i m p u r i t i e s , Which a r e u s u a l l y a r e n o t e n t r a i n e d andc a r r i e d i n t o t h e s e c o n d a r y r e a c t o r . T h u s , t h e c a l c i u m h y d r o xi d e p r o d u c t has a h i g h e r market v a l u e and can be us ed a s af e e d s t o c k f o r t h e p r o d u c t i o n o f h i g h - v a l u e c a l c i u m d e r i v at i v e s .A p p a r a t u s a n d P r o c e s s o f t h e P r e s e n t I n v e n t i o n

The p r e s e n t i n v e n t i o n u t i l i Z e s t h e same d u a l r e a c t i o ns y s t e m a s t h e B u n g e r e t a l . s y s t e m . H o W e v e r , i n t h e p r e s e n ti n v e n t i o n , t h e e n t r a i n e d ?oW p r i m a r y r e a c t o r i s p o s i t i o n e dW i t h i n t h e s e c o n d a r y r e a c t o r , p r e f e r a b l y i n a c o n c e n t r i cmanner W i t h t h e a x i s o f t h e tWo r e a c t o r s c o i n c i d i n g . T h u s ,t h e p r e s e n t i n v e n t i o n h a s t h e same a d v a n t a g e s a s t h e Bungere t a l . s y s t e m . H o W e v e r , t h e p l a c e m e n t o f t h e p r i m a r y r e a c t o rW i t h i n t h e s e c o n d a r y r e a c t o r m a t e r i a l l y i n c r e a s e s t h e c o n t r o lo v e r t h e r e a c t i o n , e a s e s c o n s t r u ct i o n and r e d u c e s c o s t s ,a u g m e n t s t h e e f ? c i e n c i e s o f t h e s y s t e m , a n d i m p r o v e s t h ep r o d u c t p u r i t y .

The a p p a r a t u s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a s i n g l e - v e s se l ,t W o - s t a g e r e a c t o r s y s t e m f o r p r o d u c i n g a c e t y l e n e b y r e a ct i o n o f c a l c i u m c a r b i d e and W a t e r . I n t h e ? r s t o r p r i m a r yr e a c t o r , c a l c i u m c a r b i d e i s c o n t i n u o u s l y c h a r g e d i n t o a ne b u l l a t e d a n d e n t r a i n e d ?oW r e a c t i o n e n v i r o n m e n t c o n t a i ni n g a n e x c e s s o f W a t e r . The p r i m a r y r e a c t o r i s d i s p o s e dc o n c e n t r i c a l l y W i t h i n s e c o n d a r y r e a c t o r , s u c h t h a t t h e s e co n d a r y r e a c t o r s u r r o u n d s t h e p r i m a r y r e a c t o r i n a n a n n u l a rf a s h i o n . The u n r e a c t e d Water With u n r e a c t e d calcium c a rb i d e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e p r o d uc t f r o m t h e p r i m a r y r e a ct o r ?oWs o v e r an over?oW ( e . g . , Weir o r p o r t s ) a t t h ep e r i m e t e r o f t h e p r i m a r y r e a c t o r d i r e c t l y i n t o t h e s e c o n d a r yr e a c t o r . The secondary r e a c t o r i s con?gured a s a densep h a s e , l a m i n a r p l u g - ? o W r e a c t o r W h e r e c a l c i u m h y d r o x i d ep r o d u c t i s a l l o W e d t o s e t t l e a n d i s removed from t h e b o t t o mo f t h e r e a c t o r . Most o f t h e c a l c i u m h y d r o x i d e s e t t l e s , b u t am i n o r p o r t i o n may r e m a i n i n s u s p e n s i o n i n t h e W a l e r , t h a t i sWithdraWn from t h e secondary r e a c t o r o v e r a n over?oW Weira n d r e c y c l e d t o t h e p r i m a r y r e a c t o r .

A c c o r d i n g t o L e v e n s p i e l ( 1 9 7 2 ) , [ t h e o t h e r ] o f t h e t W oi d e a l s t e a d y - s t a t e ?oW r e a c t o r s i s v a r i o u s l y knoWn a s t h ep l u g ? o W , s l u g ? o W , p i s t o n ? o W , i d e a l t u b u l a r , a n d u n m i x e d?oW e a c t o r , . . . We e f e r t o i t as the p l u g ?oW reactor andt o t h i s p a t t e r n o f How a s p l u g ? o W . I t i s c h a r a c t e r i Z e d by t h ef a c t t h a t t h e How o f ? u i d t h r o u g h t h e r e a c t o r i s o r d e r l y W i t h

10

1 5

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6 5

6no e l e m e n t o f ? u i d o v e r t a k i n g o r mixing W i t h a n y o t h e re l e m e n t a h e a d o r b e h i n d . A c t u a l l y , t h e r e m a y b e l a t e r a lm i x i n g o f ? u i d i n a p l u g ?oW e a c t o r ; h o W e v e r , t h e r e mustb e n o m i x i n g o r d i f f u s i o n a l o n g t h e How a t h . The n e c e s s a r ya n d s u f ? c i e n t c o n d i t i o n f o r p l u g How i s f o r t h e r e s i d e n c et i m e i n t h e r e a c t o r t o be t h e same f o r a l l elements o f ? u i d . The m a j o r i t y o f t h e r e a c t i o n o c c u r s i n t h e p r i m a r y r e a c t o re b u l a t e d b e d r e a c t i o n s y s t e m ( e s s e n t i a l l y C F S T R ) , a n d i st h e n t r a n s f e r r e d t o a plug-?oW r e a c t i o n system i n t h e s e co n d a r y r e a c t o r . The p l u g - ? o W r e a c t i o n e n v i r o n m e n t i n t h es e c o n d a r y r e a c t o r a l l o W s f o r s u b s t a n t i a l c o m p l e t i o n o f t h er e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b i d e W i t h W a t e r . The a d v a n t a g e o fany p l u g ?oW r e a c t o r i s t h a t a r e a c t i o n c a n b e completed i nt h e s m a l l e s t p o s s i b l e r e a c t o r s p a c e . F u r t h e r , t h e r e i s nom i x i n g o f u n r e a c t e d m a t e r i a l s W i t h t h a t e l e m e n t i n t h er e a c t i o n s y s t e m W h i c h h a s c o m p l e t e d i t s r e a c t i o n .

A c e t y l e n e i s draWn o f f a s i t i s g e n e r a t e d i n t h e p r i m a r ya n d s e c o n d a r y r e a c t o r s . C a l c i u m h y d r o x i d e f o r m e d b y t h er e a c t i o n i s s e p a r a t e d i n t h e s e c o n d a r y r e a c t o r b y s e t t l i n g a n di s removed from t h e dense Zone a t t h e bottom o f t h es e c o n d a r y r e a c t o r .A u s p e n s i o n o f u n r e a c t e d c a l c i u m c a r b i d e p a r t i c l e s a n d

c a l c i u m h y d r o x i d e i s t r a n s f e r r e d b e t W e e n t h e p r i m a r y r e a ct o r and t h e secondary r e a c t o r over a c o n c e n t r i c over?oWW e i r a t t h e p e r i p h e r y o f t h e p r i m a r y r e a c t o r . S i n c e t h es u s p e n s i o n ?oWs d i r e c t l y f r o m t h e p r i m a r y r e a c t o r i n t o t h es e c o n d a r y r e a c t o r , t h e n e e d o f a n y c r o s s - o v e r p i p i n g i se l i m i n a t e d . With no c r o s s - o v e r p i p i n g t h e p o s s i b i l i t y o fp l u g g i n g o f a p i p e a n d t h e h e a t l o s s f r o m t h e s u r f a c e o f t h ep i p i n g i s e l i m i n a t e d . T h e t W o - s t a g e , s i n g l e v e s s e l r e a c t i o ns y s t e m i s a l s o m e c h a n i c a l l y s i m p l e r , a n d t h u s l e s s e x p e n s i v et o b u i l d and m a i n t a i n . I n t h e secondary r e a c t o r i t s e l f nom e c h a n i c a l mechanism s r e q u i r e d , s u c h a s r a k e s . H o W e v e r ,i t i s c o n t e m p l a t e d t o u s e s u c h r a k e s i f d e s i r e d . The i n t e r n a lp l a c e m e n t o f t h e p r i m a r y r e a c t o r W i t h i n t h e s e c o n d a r yr e a c t o r p e r m i t s a m uch s m a l l e r f o o t p r i n t t h a n s e p a r a t ep l a c e m e n t o f t h e tWo r e a c t o r s .

A n o t h e r a d v a n t a g e i s t h a t o n l y o n e p r e s s u r e v e s s e l n e e db e b u i l t . The W a l l s o f t h e p r i m a r y r e a c t o r a r e o n l y r e q u i r e dt o s e p a r a t e i t from t h e s e c o n d a r y r e a c t o r . S i n c e t h e r e i sv i r t u a l l y no p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l betWeen t h e r e a c t o r s , t h ec o n s t r u c t i o n o f t h e p r i m a r y r e a c t o r may b e o f l i g h t - W e i g h td e s i g n . T h e p r e s s u r i Z a t i o n f o r t h e e n t i r e r e a c t i o n s y s t e m i sm a i n t a i n e d b y t h e o u t e r W a l l s o f t h e r e a c t i o n v e s s e l , r e q u i ri n g c o n s t r u c t i o n a n d c e r t i ? c a t i o n o f o n l y o n e p r e s s u r ev e s s e l .

The c o n c e n t r i c i n t e r n a l p l a c e m e n t o f t h e p r i m a r y a n dsecondary r e a c t o r s a l l o W s a common e a d e r a t t h e t o p o f t h ep r e s s u r e c o n t a i n m e n t v e s s e l t o be u s e d f o r g a s c o l l e c t i o n f o rb o t h t h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r y r e a c t o r s . The r e s u l t i s as i g n i ? c a n t o v e r a l l r e d u c t i o n i n g a s volume i n t h e r e a c t i o ns y s t e m , a s compared t o s e p a r a t i n g t h e tWo r e a c t i o n s y s t e m si n t o s e p a r a t e p r e s s u r e v e s s e l s . T h i s i n c r e a s e s t h e volumea v a i l a b l e f o r r e a c t i o n , a n d i n c r e a s e s s a f e t y b y d e c r e a s i n g t h evolume f o r p o t e n t i a l a d v e r s e a n d u n d e s i r a b l e r e a c t i o n s .C o n t r o l o f t h e P r o c e s s T e m p e r a t u r e

The c o n c e n t r i c co n s t r u c t i o n o f t h e p r i m a r y r e a c t o r W i t h i nt h e s e c o n d a r y r e a c t o r a l l o W s f o r a n u n p r e c e d e n t e d c o n t r o l o ft h e p r o c e s s , m e a s u r a b l y g r e a t e r t h a n i n c o n v e n t i o n a l s y st e m s a n d t h e d u a l r e a c t o r Bunger e t a l . s y s t e m . S i n c e t h ep r i m a r y r e a c t o r i s c o n t a i n e d W i t h i n t h e s e c o n d a r y r e a c t o r ,t h e r e i s a m u c h loWer h e a t l o s s from t h e primary r e a c t o r a scompared t o a s e p a r a t e d r e a c t o r c o n s t r u c t i o n a s d i s c l o s e d i nt h e Bunger e t a l . p a t e n t . Most o f t h e h e a t o f r e a c t i o n i sg e n e r a t e d i n t h e p r i m a r y r e a c t o r , a n d i n s t e a d o f l o s i n g h e a tt o t h e e x t e r n a l e n v i r o n m e n t , i t i s i n s u l a t e d from t h e e x t e r n a ls u r f a c e s o f t h e r e a c t o r v e s s e l b y t h e s u r r o u n d i n g s e c o n d a r y


15/26

US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B17

r e a c t o r . T h u s , h e a t l e a v e s t h e p r i m a r y r e a c t o r m a i n l y b yv a p o r g e n e r a t i o n , b y r e a c t a n t / p r o d u c t ?oW i n t o t h e s e c o n da r y r e a c t o r a n d t h r o u g h t h e W a l l s e p a r a t i n g t h e r e a c t o r s .T h u s , t h e s e c o n d a r y r e a c t o r c a n b e m a i n t a i n e d a t a h i g h e rt e m p e r a t u r e t o d e c r e a s e a c e t y l e n e s o l u b i l i t y . T e m p e r a t u r ec o n t r o l o f t h e p r i m a r y r e a c t o r i s e a s e d , s i n c e t h e s e c o n d a r yr e a c t o r i s u s u a l l y a t a h i g h e r t e m p e r a t u r e t h a n t h e e X t e r n a le n v i r o n m e n t a n d h e a t l o s t from t h e p r i m a r y r e a c t o r o u tt h r o u g h t h e p r i m a r y r e a c t o r W a l l s t o t h e s e c o n d a r y r e a c t o r i sm i n i m i z e d s i n c e t h e s e c o n d a r y r e a c t o r t e m p e r a t u r e d i f f e r ss l i g h t l y f r o m t h a t o f t h e p r i m a r y r e a c t o r .B a s i c a l l y , t h e p r e s e n t s y s t e m a l l o W s f o r r e t e n t i o n a n dr e c o v e r y o f m uch o f t h e r e a c t i o n h e a t p r o d u c e d i n t h ep r i m a r y r e a c t o r Where most o f t h e h e a t from t h e c a l c i u mc a r b i d e / W a t e r r e a c t i o n i s p r o d u c e d . The l o W e r h e a t l o s sa l l o W s f o r b e t t e r t e m p e r a t u r e c o n t r o l i n t h e p r i m a r y r e a c t o ra n d o p e r a t i o n a t a h i g h e r r e a c t i o n t e m p e r a t u r e . The s e c o n da r y r e a c t o r may a l s o b e o p e r a t e d a t a h i g h e r t e m p e r a t u r e ,b e c a u s e o f t h e h i gh e r t e m p e r a t u r e o f t h e p r i m a r y r e a c t o r a n dh e a t a d d e d f r o m t h e p r i m a r y r e a c t o r . The h i g h e r r e a c t i o nt e m p e r a t u r e i s f a v o r a b l e a s i t l o W e r s t h e s o l u b i l i t y o f a c e t yl e n e i n W a t e r , r e d u c i n g t h e r e s e r v o i r o f u n r e c o v e r a b l e a c e t yl e n e d i s s o l v e d i n t h e W a t e r i n t h e r e a c t i o n s y s t e m anda l l o W i n g i t t o b e r e c o v e r e d a s t h e d e s i r e d p r o d u c t g a s .

The p r o c e s s t e m p e r a t u r e may b e c o n v e n i e n t l y c o n t r o l l e dby a d j u s t i n g t h e l o s s o f h e a t t o t h e s u r r o u n d i n g s . B e c a u s e o ft h e c o n c e n t r i c , h e a t c o n s e r v i n g d u a l r e a c t o r d e s i g n , t e mp e r a t u r e i s c o n v e n i e n t l y c o n t r o l l e d b y c o n s e r v i n g t h e h e a tg e n e r a t e d i n t h e s y s t e m , i f a h i g he r t e m p e r a t u r e i s r e q u i r e d ,o r d i s s i p a t i n g h e a t t o t h e e n v i r o n m e n t , i f c o o l i n g i s d e s i r e d .H e a t c o n s e r v a t i o n may b e a c c o m p l i s h e d , f o r e x a m p l e , b yh e a t e x c h a n g i n g t h e s l u r r y o u t p u t W i t h t h e W a t e r i n l e t .Dissipating h e a t t o t h e environment o r may bea c c o m p l i s h e d , b y c o o l i n g t h e W a t e r r e c y c l e d b e t W e e n t h es e c o n d a r y r e a c t o r a n d t h e p r i m a r y r e a c t o r . T h i s means o ft e m p e r a t u r e c o n t r o l i s a s i g n i ? ca n t d e p a r t u r e from convent i o n a l p r a c t i c e Which uses t h e Water i n p u t a s a means oft e m p e r a t u r e c o n t r o l . M a k i n g t e m p e r a t u r e c o n t r o l i n d e p e nd e n t o f t h e W a t e r i n p u t ?oW r a t e a l l o W s f o r i n d e p e n d e n ta d j u s t m e n t o f t h e W a t e r i n p u t ?oW r a t e t o m a i n t a i n ap r e d e t e r m i n e d h y d r a t e d l i m e s l u r r y c o n c e n t r a t i o n .C o n t r o l o f H y d r a t e d Lime P r o d u c t C o n c e n t r a t i o n By p r a ct i c e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , t h e c o n c e n t r a t i o n o f Ca(OH)2i n t h e h y d r a t e d l i m e s l u r r y removed f r o m t h e s y s t e m c a n b es e t a t e s s e n t i a l l y any c o n v e n i e n t c o n c e n t r a t i o n , e v e n a t h i g hc o n c e n t r a t i o n s W h e r e i n t h e h y d r a t e d l i m e i s s e t t l e d a n d i nt h e f o r m o f a s e m i s o l i d s l u r r y . I n p r i n c i p l e , t h e h y d r a t e d l i m ec o n c e n t r a t i o n can be a s h i g h a s d e s i r e d , and i s l i m i t e d i np r a c t i c e o n l y b e i t s ?oW h a r a c t e r i s t i c s . T h i s c o n t r a s t s W i t hc o n v e n t i o n a l s y s t e m s W h i c h r e q u i r e o p e r a t i o n i n a r e g i m e o fa n a g i t a t e d f r e e - ? o W i n g a n d d i l u t e l i q u i d s l u r r y f o r t h er e m o v a l o f t h e s l u r r y . I n t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , t h e r e i s as e c o n d a r y r e a c t o r i n Which t h e h y d r a t e d l i m e i s a l l o W e d t os e t t l e i n t o a t h i c k e n e d s l u r r y t h a t i s f r e e o f p a r t i c u l a t ei m p u r i t i e s t h a t Would s e r i o u s l y i n t e r f e r e W i t h i t s e a s yremoval from t h e r e a c t o r .

T h e h y d r a t e d l i m e s l u r r y , b y t h e p r e s e n t p r o c e s s , c a n b eproduced a t a c o n s i s t e n t c o m p o s i t i o n , i . e . , W i t h a c o n s i s t e n tW a t e r c o n c e n t r a t i o n . T h i s c o n s i s t e n c y o f c o m p o s i t i o n a l o n gW i t h t h e r e m o v a l o f i m p u r i t i e s i n t h e e n t r a i n m e n t s y s t e m ,r e s u l t s i n a p u r e r , h i g h e r - v a l u e p r o d u c t .

The h i g h c o n c e n t r a t i o n o f h y d r a t e d l i m e a n d i t s c o r r es p o n d i n g l o W e r c o n c e n t r a t i o n o f W a t e r a l l o W s f o r manya d v a n t a g e s . T h e a b s o l u t e a m o u n t o f h y d r a t e d l i m e p r o d u c e di s s e t b y t h e a c e t y l e n e d e m a n d , b e c a u s e i t i s s t o i c h i o m e t r ic a l l y r e l a t e d t o t h e a m o u n t o f a c e t y l e n e p r o d u c e d . I f t h ec o n c e n t r a t i o n o f t h e h y d r a t e d l i m e i s h i g h , t h a t d i c t a t e s t h a t

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1 5

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55

6 5

8t h e a b s o l u t e amount o f e X c e s s Water used i n t h e system i sl o W e r . The loWer amount o f W a t e r r e d u c e s t h e amount o fW a t e r t h a t i s a v a i l a b l e f o r d i s s o l v i n g a c e t y l e n e . As i n d i c a t e da b o v e , a s i g n i ? c a n t l o s s o f a c e t y l e n e i s d u e t o a c e t y l e n ebecoming d i s s o l v e d i n t h e e X c e s s W a t e r t h a t p a s s e s o u t o f t h es y s t e m . R e d u c i n g t h e W a t e r i n t h e s y s t e m b y i n c r e a s i n g t h eh y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n m a t e r i a l l y r e d u c e s t h e s e l o s s e s ,

A n o t h e r a d v a n t a g e o f t h e r e d u c t i o n o f W a t e r ?oW h r o u g ht h e s y s t e m i s t h a t t h e s p a c e v e l o c i t y i s r e d u c e d f o r t h e sames i Z e r e a c t o r , W h i c h r e d u c e s t h e p o s s i b i l i t y o f b r e a k t h r o u g h ,i . e . , c a l c i u m c a r b i d e b e i n g c a r r i e d t h r o u g h a n d o u t W i t h t h eW a t e r / l i m e o u t p u t . By t h e p r a c t i c e o f t h e i n v e n t i o n , W i t h i t sr e d u c t i o n o f d i ss o l v e d a c e t y l e n e a n d t h e s i g n i ? c a n t r e d u ct i o n i n b r e a k t h r o u g h , t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s shoW t h a t 9 9p e r c e n t , o r m o r e , o f t h e a c e t y l e n e a v a i l a b l e from t h e c a l c i u mc a r b i d e f e e d can be r e c o v e r e d .

A n o t h e r a d v a n t a g e o f t h e r e d u c t i o n o f W a t e r ?oW h r o u g ht h e system i s t h a t t h e r e a c t o r s i Z e c a n be r e d u c e d f o r t h esame s p a c e v e l o c i t y . T h i s r e d u c e s t h e s i Z e o f t h e r e a c t o r anda s a r e s u l t reduces t h e c a p i t a l c o s t s . The use o f a plug-?oWr e a c t o r regime r e s u l t s i n a more e f f e c t i v e use of h e a v a i l a b l es p a c e t h a n f o r CFSTR r e a c t o r s . T o t a l i n t e r n a l volumes o fl e s s t h a n 1 / 3 o f c o n v e n t i o n a l r e a c t o r volumes a r e p o s s i b l eW i t h o u t a n i n c r e a s e i n b r e a k t h r o u g h .

A n o t h e r a d v a n t a g e o f r e d u c i n g t h e W a t e r i n p u t i s t h a t t h eh e a t l o s s f r o m t h e s y s t e m t h r o u g h t h e W a t e r i s r e d u c e d . As u b s t a n t i a l amount o f t h e h e a t i s l o s t from t h e s y s t e mt h r o u g h t h e h e a t e d e X c e s s W a t e r l e a v i n g t h e s y s t e m . T h i sl i m i t s t h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e o f t h e s y s t e m . By r e d u c i n gt h e amount o f W a t e r p a s s i n g t h r o u g h t h e s y s t e m t h e o p e ra t i n g t e m p e r a t u r e c a n b e i n c r e a s e d , Which r e d u c e s t h e l o s s e sf r o m a c e t y l e n e d i s s o l v e d i n W a t e r s i n c e t h e s o l u b i l i t y o fa c e t y l e n e i s r e d u c e d .A i g h l i m e - c o n c e n t r a t i o n s l u r r y c a n b e h a n d l e d i n t h ep r e s e n t in v e n t i o n b e c a u s e o f t h e h i g h e r q u a l i t y o f t h e

h y d r a t e d l i m e p r o d u c t . I n c o n v e n t i o n a l p r a c t i c e t h e r e i s n oc l a s s i ? c a t i o n a n d s e p a r a t i o n o f s o l i d i m p u r i t i e s . T h u s , i f t h eh y d r a t e d l i m e p r o d u c t Were removed i n a s e t t l e d , t h i c k e n e ds t a t e from t h e bottom o f a c o n v e n t i o n a l CFSTR e a c t o r , i tWould c o n t a i n s i g n i ? c a n t a m o u n t s o f r o c k s , Which Wouldc r e a t e s e v e r e o p e r a t i o n a l p r o b l e m s . A c c o r d i n g l y , t h eh y d r a t e d l i m e i s removed i n c o n v e n t i o n a l s y s t e m s a s af r e e - ? o W i n g s u s p e n d e d s l u r r y , a n d t h e r o c k s t h a t s e t t l e a r ep e r i o d i c a l l y removed from t h e b o t t o m o f t h e r e a c t o r by as e p a r a t e m e a n s . I n c o n t r a s t , i n t h e p r e s e n t i n v e n t i o n t h e s ei m p u r i t i e s a r e removed i n t h e p r i m a r y r e a c t o r e n t r a i n m e n ts y s t e m , l e a v i n g t h e s l u r r y i n t h e s e c o n d a r y r e a c t o r e s s e nt i a l l y f r e e t h e r e o f . O p e r a t i o n a l l y , t h i s a l l o W s s l u r r y r e m o v a lt h r o u g h a s i m p l e m e t e r i n g p u m p , t h r o t t l i n g v a l v e , o r o t h e ra p p r o p r i a t e m e a n s . T h u s , t h e r a t e o f r e m o v a l o f t h e h y d r a t e dl i m e , a n d h e n c e t h e h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n i n t h eW a t e r / l i m e s l u r r y a n d t h e amount o f W a t e r t h r o u g h p u t , c a ne a s i l y b e c o n t r o l l e d . B a s i c a l l y , t h e o n l y u p p e r l i m i t a t i o n t ot h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e h y d r a t e d l i m e i n t h e s l u r r y i s t h ev i s c o u s e f f e c t s t h a t o c c u r When t h e c o n c e n t r a t i o n s o f t h eh y d r a t e d l i m e e X c e e d s a b o u t 4 0 W t . %.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGSF I G . 1 i s a g r a p h shoWing c o n v e r s i o n o f c a l c i u m c a r b i d e

a n d b r e a k t h r o u g h i n a p r i o r - a r t c o n t i n u o u s s t i r r e d t a n kr e a c t i o n s y s t e m .

F I G . 2 i s a g r a p h s h o W i n g t h e s o l u b i l i t y o f a c e t y l e n e i nWater.FIG. 3 i s a c r o s s - s e c t i o n o f a r e a c t o r system o f t h e

i n v e n t i o n .FIG. 4 i s a schematic o f an a p p a r a t u s o f t h e i n v e n t i o n

i n c o r p o r a t i n g a r e a c t o r a s i n FIG. 3 .


16/26

US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B19

F I G . 5 i s a s c h e m a t i c showing a p r e f e r r e d m a t e r i a l c o n t r o lmethod o f t h e i n v e n t i o n .

F I G . 6 i s a s c h e m a t i c shoWing a n a l t e r n a t e m a t e r i a lc o n t r o l m e t h o d .

F I G . 7 i s a s c h e m a t i c shoWing a t e m p e r a t u r e c o n t r o lm e t h o d .

F I G . 8 i s a g r a p h s h o W i n g t h e p e r c e n t o f a c e t y l e n ep r o d u c e d Which i s l o s t t h r o u g h s o l u b i l i t y a s a f u n c t i o n o fh y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n

F I G . 9 i s a g r a p h d e s c r i b i n g t h e k i n e t i c s o f t h e r e a c t i o n o fc a l c i u m c a r b i d e W i t h W a t e r , s h o W i n g c o n v e r s i o n p a r a m e t e rv . time.

F I G . 1 0 i s a g r a p h s h o W i n g s e t t l i n g v e l o c i t y o f c a l c i u mh y d r o x i d e W i t h r e s p e c t t o c a l c i u m h y d r o x i d e c o n c e n t r a t i o ni n t e r m s o f W e i g h t p e r c e n t .

DETAILED DESCRIPTION OF THEINVENTIONA p p a r a t u s

R e f e r e n c e i s made t o FIGS. 3 and 4 , Which i l l u s t r a t e a na p p a r a t u s o f t h e i n v e n t i o n . The a p p a r a t u s i s c o m p r i s e d o f amain r e a c t o r v e s s e l 101 d e s i g n e d t o W i t h s t a n d i n t e r n a lo p e r a t i n g p r e s s u r e s a c c o r d i n g t o r e g u l a t o r y s t a n d a r d s .W i t h i n t h e c y l i n d r i c a l p o r t i o n o f t h e r e a c t o r W a l l s i s ? t t e d ac y l i n d r i c a l W e i r W a l l 1 0 2 Which t o p p r o v i d e s a c i r c u l a r W e i r103 o v e r Which W a t e r / s l u r r y may ?oW. At t h e bottom o f t h eW e i r W a l l a n d betWeen t h e W e i r W a l l a n d t h e r e a c t o r W a l l i s? t t e d a p l a t e 104 a t such an a n g l e t o t h e h o r i Z o n t a l s o t h a tW a t e r / s l u r r y W i l l b e d i r e c t e d t o t h e l o W p o i n t o f t h e p l a t e1 0 5 .

BetWeen t h e W e i r W a l l 102 and a p r i m a r y r e a c t o r 109 i s? t t e d a b a f f l e 106 Which t o p e l e v a t i o n 107 e x c e e d s t h e t o pe l e v a t i o n 1 1 0 o f t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 a n d W h i c h b o t t o me l e v a t i o n 108 e x t e n d s beloW t h e e l e v a t i o n o f t h e over?oWW e i r 1 0 3 . The t o p e l e v a t i o n 1 1 0 o f t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9i s i n t e r m e d i a t e betWeen t h e t o p e l e v a t i o n 1 0 3 o f t h e W e i rW a l l 1 0 2 a n d t h e t o p e l e v a t i o n 107 o f t h e b a f f l e 1 0 6 . Theb a f f l e 1 0 6 i s u s e d t o d i r e c t t h e How o f Ca(OH)2 a n du n r e a c t e d calcium c a r b i d e i n a doWnWard d i r e c t i o n toWardt h e Zone f o r plug-?oW r e a c t i o n Zone 1 1 1 and t o p r o v i d e aq u i e s c e n t e n v i r o n m e n t s e t t l i n g o f Ca(OH)2 n t o a d e n s e Z o n e1 2 5 .

The p r i m a r y r e a c t o r 109 m a y b e ? t t e d W i t h a r o t a t a b l es c r e e n 1 1 3 s h o W n i n F I G . 3 i n i t s v e r t i c a l , d i s c h a r g ep o s i t i o n a n d i n F I G . 4 i n i t s o p e r a t i n g h o r i Z o n t a l p o s i t i o n ) i nt h e b o t t o m p o r t i o n o f t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 8 Which s u pp o r t s t h e bed o f c a l c i u m c a r b i d e . T h i s s c r e e n 1 1 3 m a y ber o t a t e d a b o u t a h o r i Z o n t a l a x i s t o a l l o W f o r d i s c h a r g e o f anyu n r e a c t i v e m a t e r i a l t h a t h a s been r e t a i n e d on t h e s c r e e n 1 1 3 .

BeloW t h e p r i m a r y r e a c t o r i s ? t t e d a v e l o c i t y c o n t r o lr e s t r i c t o r 1 1 4 W h i c h s u p p l i e s W a t e r / s l u r r y t o t h e p r i m a r ye n t r a i n e d ?oW p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 a n d a l l o W s f o r d i s c h a r g eo f u n r e a c t i v e p a r t i c l e s . The v e l o c i t y c o n t r o l r e s t r i c t o r 1 1 4o r i g i n a t e s i n a d i s e n g a g e m e n t Z o n e a n d h o l d i n g t a n k 147W h i c h a l l o W s f o r s e p a r a t i o n o f i n e r t p a r t i c l e s f r o m t h e s l u r r yr e c y c l e .

T h e l o W e r p o r t i o n o f t h e s e c o n d a r y r e a c t o r i s c o n ? g u r e da s a s i m p l e cone 1 1 5 Which a n g l e 1 1 6 i s g r e a t e r t h a n t h ea n g l e o f r e p o s e o f s e t t l e d h y d r a t e d l i m e . A l t e r n a t i v e l y , t h ec o n e m a y b e ? t t e d W i t h a s l o W - m o v i n g r a k e n o t s h o W n ) .The t o p o f t h e r e a c t o r i s ? t t e d W i t h a p o r t f o r i n t r o d u c i n gc a l c i u m c a r b i d e 1 1 7 , a p o r t f o r d i s c h a r g e o f a c e t y l e n e 1 1 8a n d a p p r o p r i a t e o v e r p r e s s u r e r e l i e f d e v i c e s 1 1 9 . Make-upW a t e r i s i n t r o d u c e d t o t h e system t a t o p W a t e r i n l e t p o r t 120a n d i s i n t r o d u c e d t o t h e v a p o r s p a c e by a n y c o n v e n i e n td i s t r i b u t i o n m e t h o d . The t o p i n l e t p o r t 1 2 0 may o p t i o n a l l yi n c l u d e s p r a y e r s a s shown.

10

1 5

25

35

45

55

6 5

1 0The p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 i s s i Z e d t o b e s u f f i c i e n t l y s m a l l

i n d i a m e t e r a s t o p r o v i d e m axi m u m e t t l i n g t i m e i n t h e u p p e rp a r t o f t h e s e c o n d a r y r e a c t o r a n d t o minimiZe t h e mass ?oWr a t e o f t h e r e c y c l e s t r e a m needed t o e b u l a t e t h e r e a c t o r b e d .C o n v e r s e l y , t h e p r i m a r y r e a c t o r i s s i Z e d t o b e s u f ? c i e n t l yl a r g e i n d i a m e t e r s o t h a t t h e r e a c t o r o p e r a t e s i n a b u b b l e?oW r e g i m e a n d n o t a s l u g - ? o W r e g i m e . T h e h e i g h t o f t h eprimary r e a c t o r i s s i Z e d s o a s t o c o n t a i n a s u f ? c i e n t volumef o r c o n t r o l l e d r e a c t i o n o f t h e i n s t a n t a n e o u s s t e a d y - s t a t ei n v e n t o r y o f c a l c i u m c a r b i d e , b u t n o t s o l a r g e t h a t s p a c e i si n e f ? c i e n t l y u s e d .The b a f ? e 1 0 6 i s s i Z e d l a r g e enough t o r e d u c e t h e doWnW a r d v e l o c i t y o f t h e l i q u i d o v e r ? o W i n g t h e p r i m a r y r e a c t o rW a l l 1 0 1 b u t s m a l l e n o u g h t o p r o v i d e l o n g r e s i d e n c e t i m e i nt h e r i s i n g p o r t i o n o f t h e s e t t l i n g Z o n e 1 1 2 . The a n n u l u sbetWeen t h e W e i r W a l l 102 a n d t h e main r e a c t o r v e s s e l W a l l1 1 0 i s s i Z e d t o b e s u f ? c i e n t l y l a r g e t o accommodate t h e Howo f r e c y c l e W a t e r , b u t n o t s o l a r g e t h a t i t r e d u c e s t h e a v a i l a b l es p a c e needed f o r t h e b a f f l e 106 o r t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 .

I n t h e i l l u s t r a t e d d e s i g n , t h e o n l y i n t e r n a l m o v a b l e p a r t i st h e s c r e e n , a n d t h i s p a r t o n l y moves o c c a s i o n a l l y d u r i n gc l e a n i n g . T h u s t h e o n l y moving e a l i n t h e p r e s s u r e v e s s e l i st h a t r e q u i r e d f o r t h e s c r e e n a x i s , Which i s n o t r e q u i r e d t oo p e r a t e d u r i n g n o r m a l o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m . T h i s c o nt r a s t s W i t h c o n v e n t i o n a l CFSTR d e s i g n s t h a t h a v e manyp e n e t r a t i o n s o f t h e p r e s s u r e v e s s e l W i t h m o v i n g s e a l s , s u c ha s f o r r a k e s , g r a t e s , e t c . , W h i c h f u n c t i o n c o n t i n u o u s l yt h r o u g h t h e p r o c e s s . I n a d d i t i o n , t h e m e c h a n i c a l e n e r g y f o rt h e p r o c e s s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s s u p p l i e d by a ne x t e r n a l pump 1 4 2 t h a t d r i v e s t h e r e c y c l e s t r e a m , Whichr e q u i r e s n o d r i v e s h a f t s p e n e t r a t i n g t h e r e a c t o r v e s s e l s . Ther e d u c t i o n o f moving s e a l s i n t h e p r e s s u r e v e s s e l m a t e r i a l l ys i m p l i ? e s t h e m e c h a n i c s a n d i n c r e a s e s t h e r e l i a b i l i t y o f t h es y s t e m .P r o c e s sI n t h e p r o c e s s o f t h e i n v e n t i o n c a l c i u m c a r b i d e i s i n t r od u c e d t o t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 by a n y s u i t a b l e c a l c i u mc a r b i d e f e e d i n g means 1 4 1 t h r o u g h t h e c a l c i u m c a r b i d e f e e dp o r t 1 1 7 . The c a l c i u m c a r b i d e r e a c t s W i t h Wa t e r i n t h ep r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 . The W a t e r i s r e c y c l e d by pump 1 4 2f r o m t h e s e c o n d a r y r e a c t o r 1 2 1 t h r o u g h a p i p e 1 4 3 , a n di n t r o d u c e d t o t h e p r i m a r y r e a c t o r f r o m t h e b o t t o m t h r o u g ht h e v e l o c i t y c o n t r o l r e s t r i c t o r 114 t o c r e a t e a r e a c t i o n i n a ne b u l l a t e d , e n v i r o n m e n t W i t h W a t e r ?oWing u p t h r o u g h s o l i dp a r t i c l e s . L a r g e p a r t i c l e s s e t t l e t o t h e l e v e l o f t h e s c r e e n 1 1 3W h e r e t h e y r e a c t u n t i l t h e y become s m a l l e n o u g h t o becomee n t r a i n e d b y t h e u p W a r d v e l o c i t y o f W a t e r i n t h e p r i m a r yr e a c t o r 109 When t h e y a r e c a r r i e d o v e r i n t o t h e s e c o n d a r yr e a c t o r 1 2 1 . P a r t i c l e s o f i m p u r i t i e s s e t t l e t h r o u g h t h e s c r e e no r a r e p e r i o d i c a l l y d i s c h a r g e d b y r o t a t i n g t h e s c r e e n 1 1 3 )a n d a l l o W e d t o s e t t l e t h r o u g h t h e v e l o c i t y c o n t r o l r e s t r i c t o ri n t o a h o l d i n g t a n k 147 ? t t e d a t t h e b o t t o m . The s c r e e n i sr a t h e r c o a r s e , e . g . , a b o u t 10 mm r c o a r s e r , s o t h a t o n l y l a r g ep a r t i c l e s a r e r e t a i n e d on t h e s c r e e n . The h o l d i n g t a n k 147 sp e r i o d i c a l l y e m p t i e d t h r o u g h a d i s c h a r g e p o r t 1 2 9 .

S m a l l p a r t i c l e s o f u n r e a c t e d c a r b i d e , C a O H ) 2 a n d i n e r tm a t e r i a l s a r e c a r r i e d o v e r t h e t o p 110 o f t h e primary r e a c t o r1 0 9 a f t e r W h i c h t h e y ?oW doWnWard b y t h e f o r c e o f g r a v i t yi n t o t h e a n n u l a r s p a c e 1 2 2 betWeen t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9a n d t h e b a f f l e 1 0 6 . The doWnWard momentum o f t h e ? u i da n d i t s e n t r a i n e d p a r t i c l e s p a s s i n g o v e r t h e p r i m a r y r e a c t o rW a l l 1 1 0 s o t h a t t h e p a r t i c l e s d r o p t o t h e e l e v a t i o n o f W a t e r1 0 3 a s s u r e s t h a t t h e p a r t i c l e s a r e c o m p l e t e l y submerged i nW a t e r , t h e r e b y r e d u c i n g o r e l i m i n a t i n g t h e a c c u m u l a t i o n o fd r y p a r t i c l e s on t h e s u r f a c e t h a t m a y o c c u r When f e e d i n gc a l c i u m c a r b i d e o f s m a l l p a r t i c l e s i Z e .

Calcium h y d r o x i d e a n d a n y umeacted c a l c i u m c a r b i d e a r ea l l o W e d t o t r a v e l doWnWard betWeen t h e a n n u l a r s p a c e 122


17/26

US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B11 1

b e t w e e n t h e p r i m a r y r e a c t o r a n d t h e b a f f l e , w h e r e t h e y b e g i nt o s e t t l e i n t o t h e d e n s e Zone 125 o f t h e s e c o n d a r y r e a c t o r . Ap o r t i o n o f t h e s l u r r y t r a v e l s u n d e r t h e b a f f l e 1 0 8 a n d r i s e s i nt h e s p a c e 1 1 2 between t h e w e i r w a l l a n d t h e b a f f l e where to v e r ? o w s t h e t o p o f t h e w e i r w a l l . W a t e r / s l u r r y o v e r ? o w i n gt h i s w e i r w a l l i s d r a i n e d t o t h e l o w e s t p o i n t 105 where i te x i t s t h e r e a c t o r v e s s e l a n d i s r e c y c l e d t h r o u g h l i n e 1 4 3 t ot h e b o t t o m o f t h e v e l o c i t y c o n t r o l r e s t r i c t o r .The m a t e r i a l i n t r o d u c e d t h r o u g h t h e r e c y c l e l i n e 1 4 3 t ot h e b o t t o m o f t h e p r i m a r y r e a c t o r 1 0 9 t h r o u g h t h e v e l o c i t yc o n t r o l r e s t r i c t o r 114 s e r v e s a s t h e mixer i n t h e primaryr e a c t i o n , c r e a t i n g t h e How o f w a t e r n e c e s s a r y f o r t h e e b u ll a t e d r e a c t i o n e n v i r o n m e n t , a n d t h e c l a s s i ?c a t i o n o f p a r t i c l e si n t h e v e l o c i t y c o n t r o l r e s t r i c t o r 1 1 4 . The r e c y c l e r a t e a l s oa f f e c t s t h e h y d r o d y n a m i c b e h a v i o r i n t h e p r i m a r y r e a c t o r1 0 9 a n d t h e u p p e r p o r t i o n o f t h e s e c o n d a r y r e a c t o r 1 2 1 a n dp r o v i d e s a means f o r d i s t r i b u t i n g h e a t f r o m t h e p r i m a r yr e a c t o r t o t h e s e c o n d a r y r e a c t o r . W h i l e t h e r e c y c l e i s p r im a r i l y u s e d t o r e c y c l e w a t e r , t h e m a t e r i a l i n t h e r e c y c l e l o o pm a y i n c l u d e i n a d d i t i o n t o w a t e r , suspended s o l i d s s u c h a sc a l c i u m h y d r o x i d e , a n d o t h e r s o l i d s . U s i n g a n y a p p r o p r i a t es c r e e n i n g a p p a r a t u s 1 2 3 , t h e r e c y c l e l o o p may s e r v e t h ep u r p o s e s o f s c r e e n i n g f r o m t h e s y s t e m a n y l i g h t e r - t h a nw a t e r d e b r i s t h a t may i n a d v e r t e n t l y b e i n t r o d u c e d t o t h es y s t e m , s i n c e s u c h d e b r i s w i l l b e r e t a i n e d i n t h e l o o p .Below h e b o t t o m l e v e l o f t h e b a f f l e 1 0 8 a n d t h e t o p o f t h ec o n e 124 t h e hydrodynamic b e h a v i o r u n d e r g o e s a t r a n s i t i o nt o a c o n d i t i o n a p p r o x i m a t e d b y P l u g Flow R e a c t i o n P F R )k i n e t i c s , which h a s b e e n de?ned a b o v e . F o r ? r s t o r d e rc h e m i c a l r e a c t i o n s t h e i d e a l PFR i s t h e o n l y r e a c t o r w h i c h ,i n t h e o r y , w i l l a l l o w f o r ( v e r y n e a r l y ) c o m p l e t e r e a c t i o nw i t h i n a ? n i t e r e a c t i o n s p a c e . T h u s , t h e a p p a r a t u s o f t h ei n v e n t i o n p r o v i d e s a r e a c t i o n e n v i r o n m e n t i n t h e l o w e rp o r t i o n o f t h e s e c o n d a r y r e a c t o r w h i c h a p p r o x i m a t e s t h a t o fa PFR a n d a s a r e s u l t , i n t h e o r y , a l l o w s f o r v i r t u a l l y c o m p l e t er e a c t i o n and a s a consequence, t h e almost t o t a l e l i m i n a t i o no f b r e a k t h r o u g h.

S e t t l e d a n d c o n c e n t r a t e d c a l c i u m h y d r o x i d e i s d i s c h a r g e dfrom t h e bottom o f t h e cone t h r o u g h l i n e 128 t o a h y d r a t e dl i m e containment a r e a . I n t h e p r o c e s s o f t h e i n v e n t i o n t h er e a c t i o n i s p e r f o r m e d u n d e r c o n d i t i o n s which maximiZe t h ec o n c e n t r a t i o n o f s l u r r y . T h e s e g r e g a t i o n o f l a r g e p a r t i c u l a t e si n t h e p r i m a r y r e a c t o r a l l o w s f o r t h i c k e n i n g a n d s e t t l i n g i nt h e s e c o n d a r y r e a c t o r w i t h o u t c o n c e r n f o r o p e r a t i o n a l d i f? c u l t i e s t h a t occur w i t h CFSTR r e a c t o r s . T h i s a l l o w s f o rc o n v e n i e n t o p e r a t i o n o f a t h r o t t l i n g v a l v e i n t h e e x i t s t r e a mt h a t can o p e r a t e a t any c o n v e n i e n t p r e s s u r e .C o n t r o lMass Flow C o n t r o l

The p r e f e r r e d mass ?ow c o n t r o l s t r a t e g y i s shown i n F I G .5 . The downstream demand f o r a c e t y l e n e d i c t a t e s a l l o t h e rp r o c e s s ? o w s . The downstream demand i s s e n s e d by t h ep r o c e s s c o n t r o l 201 which c o n t r o l s a calcium c a r b i d e f e e di n g means 2 0 3 . An p t i o n a l ?ow measurements d e v i c e 207i s u s e d t o measure a c e t y l e n e p r o d u c t i o n r a t e and m a yp r o v i d e i n f o r m a t i o n t o s u p p l e m e n t t h e d o w n s t r e a m demandi n f o r m a t i o n .

The same i n f o r m a t i o n used t o c o n t r o l t h e c a r b i d e f e e d r a t ei s s e n t t o t h e h y d r a t e d l i m e s l u r r y v a l v e c o n t r o l l e r 204 whichc o n t r o l s t h e r a t e a t which t h e h y d r a t e d l i m e s l u r r y 1 2 8 i sd i s c h a r g e d by means o f a m e t e r i n g v a l v e 2 0 5 . The r a t e a twhich h y d r a t e d l i m e s l u r r y 1 2 8 i s d i s c h a r g e d may b e a ?xedr a t i o o f t h e c a l c i u m c a r b i d e f e d , t h e r e b y e s t a b l i s h i n g a ?xedc o n c e n t r a t i o n o f s l u r r y .A n o p t i o n a l d e n s i t y / m a s s ?ow m e t e r 2 0 9 p r o v i d e s i n f o rmation t o t h e c o n t r o l l e r a b o u t t h e a c t u a l ?ow r a t e andd e n s i t y o f t h e s l u r r y . I n f o r m a t i o n r e g a r d i n g t h e d e n s i t y o ft h e s l u r r y may b e u s e d f o r ? n e t u n i n g o f t h e m e t e r i n g v a l v e2 0 5 .

10

1 5

25

35

45

55

6 5

1 2F r e s h w a t e r i s a d d e d t h r o u g h 1 2 0 t o m a i n t a i n t h e l i q u i d

i n v e n t o r y a t a c o n s t a n t l e v e l i n t h e r e a c t o r s y s t e m . Ther e a c t o r system i s ? t t e d w i t h a l e v e l d e t e c t i o n d e v i c e 211 o fa n y c o n v e n i e n t d e s i g n . A n e l e c t r o n i c d i f f e r e n t i a l p r e s s u r ed e v i c e i s one such means and t h i s d e v i c e monitors t h e l e v e lo f ? u i d i n t h e w e i r a n n u l u s 1 7 1 . A i g n a l f r o m t h e l e v e ld e t e c t i o n d e v i c e i s s e n t t o a c o n t r o l l e r 213 which c o n t r o l st h e How f f r e s h w a t e r 120 by means o f a t h r o t t l i n g v a l v e2 1 5 . I f t h e l e v e l o f ? u i d f a l l s below a p r e d e t e r m i n e d l e v e l ,t h e l e v e l c o n t r o l l e r 213 f u r t h e r opens t h e meter v a l v e 215 t od i r e c t w a t e r t h r o u gh 1 2 0 . C o n v e r s e l y , i f t h e l e v e l o f ? u i dr i s e s a b o v e a p r e d e t e r m i n e d l e v e l t h e l e v e l c o n t r o l l e r 213f u r t h e r c l o s e s t h e m e t e r i n g v a l v e 215 t o r e s t r i c t t h e How o fw a t e r t h r o u g h 1 2 0 . The l e v e l o f w a t e r i n t h e w e i r a n n u l u s1 7 1 i s t h u s m a i n t a i n e d a t a l e v e l p r e e s t a b l i s h e d by t h ed e s i r e d s e t - p o i n t on t h e l e v e l d e t e c t i o n d e v i c e 2 1 1 .

I n t h e p r o c e s s o f t h e i n v e n t i o n t h e r a t e o f w a t e r a d d i t i o ni s c o n t r o l l e d t o m a i n t a i n a s t e a d y i n v e n t o r y o f ? u i d i n t h esystem and i s a consequence o f c o n t r o l o f o t h e r p r o c e s sv a r i a b l e s . Combined w i t h a s t e a d y - s t a t e How o f c a l c i u mc a r b i d e t o t h e r e a c t o r t h i s a l l o w s f o r a s t e a d y - s t a t e concent r a t i o n o f s l u r r y f r o m t h e r e a c t o r . By p r e s c r i b i n g t h e d e s i r e dc o n c e n t r a t i o n o f t h e o u t l e t s l u r r y t h e r a t e o f d i s c h a r g e c a n b ep r e c i s e l y a d j u s t e d t o a c h i e v e t h a t c o n c e n t r a t i o n a n d t h er e m a i n d e r o f t h e How p a r a m e t e r s , s p e c i ? c a l l y t h e w a t e r? o w , a r e a u t o m a t i c a l l y a d j u s t e d a c c o r d i n g l y .An l t e r n a t i v e mass ?ow o n t r o l s t r a t e g y i s shown i n F I G .

6 . I n t h e a l t e r n a t i v e s t r a t e g y t h e c a r b i d e f e e d r a t e means 303i s c o n t r o l l e d by a c o n t r o l l e r 301 s e n s i n g downstreamd e m a n d , a s b e f o r e . A n o p t i o n a l ?ow m e a s u r i n g d e v i c e 307i s used t o measure t h e p r o d u c t i o n r a t e and m a y be used t o?ne t u n e t h e c o n t r o l .

I n t h e a l t e r n a t i v e s t r a t e g y , a p r e d e t e r m i n e d ?ow r a t e o fw a t e r i s e s t a b l i s h e d based on t h e a n t i c i p a t e d amount f o rr e a c t i o n l o s s e s , h u m i d i t y l o s s e s a n d f r e e w a t e r d e s i r e d i n t h es l u r r y . A n o p t i o n a l ?ow m e t e r 306 i s u s e d t o p r o v i d ei n f o r m a t i o n t o t h e c o n t r o l l e r 3 05 a s t o t h e a c t u a l ?ows.

I n t h e a l t e r n a t i v e s t r a t e g y t h e i n v e n t o r y o f ? u i d w i t h i n t h er e a c t o r i s d e t e c t e d b y a l e v e l d e t e c t i o n d e v i c e 312 and s e t t oa p r e s c r i b e d l e v e l i n t h e w e i r a n n u l u s 3 7 1 . The l e v e l i si n ? u e n c e d b y t h e r a t e o f d i s c h a r g e o f h y d r a t e d l i m e s l u r r y1 2 8 c o n t r o l l e d by d e v i c e 309 c o n t r o l l i n g t h e h y d r a t e d l i m es l u r r y o u t l e t v a l v e 3 1 1 .T e m p e r a t u r e C o n t r o l

T e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e d b y a d j u s t i n g t h e h e a t l o s s e s t ot h e e n v i r o n m e n t . I f i t i s r e q u i r e d t o r e c o v e r h e a t , a s wouldo c c u r f o r l o w e r c o n c e n t r a t i o n s o f h y d r a t e d l i m e , c o l d e r f e e dwater o r a c o l d e r environment, h e a t can be recovered a te i t h e r o f two c o n v e n i e n t p o i n t s . T h e s e a r e t h e h o t a c e t y l e n eg a s a n d t h e s l u r r y o u t l e t s t r e a m . H e a t r e c o v e r e d from e i t h e ro f t h e s e s t r e a m s can be r e i n t r o d u c e d i n t o t h e f r e s h waterf e e d by a f e e d / e f f l u e n t h e a t e x c h a n g e r 151 o r 1 5 3 shown i nphantom i n F I G . 4 ( o r i n F I G . 7 s h o w i n g r e c o v e r y f r o m t h es l u r r y e f ? u e n t 1 5 3 . W a t e r h e a t e d f r o m t h e h y d r a t e d l i m es l u r r y e f ? u e n t i n 1 5 3 may b e i n t r o d u c e d d i r e c t l y i n t o t h er e a c t o r s a s i n FIG. 4 , o r a s i n FIG. 7 , mixed with unheatedw a t e r t h r o u g h a m i x i n g v a l v e 1 8 1 , which i s c o n t r o l l e d by ac o n t r o l l e r 1 8 3 t h a t m o n i t o r s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e p r i m a r yr e a c t o r by t e m p e r a t u r e se n s o r 1 8 5 .

F o r h i g hl y c o n c e n t r a t e d c a l c i u m h y d r o x i d e o u t l e t s t r e a m sw i t h a c o r r e s p o n d i n g l y l o w e r w a t e r t h r o u g h p u t o r f o rwarmer feed water temperatures o r warmer environments,t h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e may r i s e a b o v e r e g u l a t o r y l i m i t si f a means o f c o o l i n g i s n o t p r o v i d e d . Under t h e s ec i r c u m s t a n c e s , t h e t e m p e r a t u r e i s m a i n t a i n e d b e l o w r e g u l at o r y l i m i t s by a c o n t r o l l e d r e l e a s e o f h e a t t o t h e e n v i r o n m e n t .T h i s c a n b e a c c o m p l i s h e d by l o w e r i n g o r e l i m i n a t i n g t h e


18/26

US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B11 3

h e a t r e c o v e r y a t e x c h a n g e r s 1 5 1 a n d 1 5 3 . H e a t may a l s o b er e l e a s e d t o t h e e n v i r o n m e n t b y c o o l i n g t h e r e c y c l e s t r e a m b ya s u i t a b l e h e a t e x c h a n g e r 1 5 5 . S e e F I G S . 4 a n d 7 . )

T h e p r e f e r r e d t e m p e r a t u r e c o n t r o l s t r a t e g y i s shoWn i nF I G . 7 . The d e s i r e d t e m p e r a t u r e i s s e n s e d 1 8 5 i n t h e p r i m a r yr e a c t o r a n d a s e t p o i n t i s s e l e c t e d , n o t t o e x c e e d r e g u l a t o r yl i m i t s . The c o n t r o l l e r 1 8 3 c o n t r o l s t h e p r o p o r t i o n o f f r e s hp r o c e s s W a t e r Which p a s s e s t h r o u g h a f e e d / e f f l u e n t h e a te x c h a n g e r 1 5 3 a n d t h a t Which d o e s n o t p a s s t h r o u g h t h e h e a te x c h a n g e 1 5 4 . T h i s t e m p e r a t u r e c o n t r o l l o o p i s o p e r a t i o n a lW h e n e v e r t h e d e s i r e d t e m p e r a t u r e i s h i g h e r t h a n t h e o p e ra t i n g t e m p e r a t u r e .When h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e i s h i g he r t h a n t h e d e s i r e dt e m p e r a t u r e , t h e s y s t e m may b e c o o l e d b y W i t h d r a W i n g h e a tf r o m t h e r e c y c l e l o o p 1 4 3 by means o f a h e a t e x c h a n g e r 1 5 5c o o l e d by c o o l i n g W a t e r 1 5 6 . A o n t r o l l e r 1 8 4 c o n t r o l s t h er a t e a t Which c o o l i n g W a t e r 1 5 6 p a s s e s t h r o u g h t h e h e a te x c h a n g e r 1 5 5 by means o f a t h r o t t l i n g v a l v e 1 5 7 .

I n e f f e c t , t e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e d b y c o n s e r v i n g o rd i s s i p a t i n g h e a t b e t W e e n t h e r e a c t o r a n d i t s s u r r o u n d i n g s .The s t r a t e g y a l l o W s f o r c o n t r o l o f t e m p e r a t u r e W i t h o u thaving t o in?uence any o f t h e p r o c e s s ?oW r a t e s .S p e c i ? c a l l y , m a i n t a i n i n g a c o n s t a n t s y s t e m t e m p e r a t u r ed o e s n o t r e q u i r e a d j u s t m e n t s i n a n y o f t h e p r o c e s s How a t e s ,even When t h e c a r b i d e feed r a t e v a r i e s o r When t h e r e a r eu n c o n t r o l l e d t e m p e r a t u r e e f f e c t s c h a n g e s i n f r e s h W a t e rt e m p e r a t u r e , c h a n g e s i n t h e t e m p e r a t u r e o f a m b i e n ts u r r o u n d i n g s , e t c . ) . T h u s , t h e p r o c e s s o f t h e i n v e n t i o n p r ov i d e s f o r u n u s u a l l y s t e a d y - s t a t e o p e r a t i o n i n a l l m a j o r p r oc e s s v a r i a b l e s . Most i m p o r t a n t l y , a s t e a d y - s t a t e o f c a l c i u mhydroxide o u t l e t c o n c e n t r a t i o n can be achieved and as t e a d y - s t a t e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e i s m a i n t a i n e d e v e n Whent h e r a t e o f a c e t y l e n e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e p r o d u c t i o n i sv a r i e d .T h i s u n c o u p l i n g o f t h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l a n d mass ?oWr a t e c o n t r o l i s a s i g n i ? c a n t d e p a r t u r e f r o m t h e p r i o r a r t i nWhich t e m p e r a t u r e and mass ?oW r a t e s a r e h i g h l y c o up l e d .By u n c o u p l i n g t h e t W o r e q u i r e m e n t s , b o t h t e m p e r a t u r e a n dmass ?oW r a t e s can b e i n d e p e n d e n t l y c o n t r o l l e d f o r o p t imum performance Without t h e need t o compromise one o rt h e o t h e r .S a f e t y C o n t r o l

A p p r o p r i a t e s a f e t y d e v i c e s a r e d e s i g n e d t o s h u t doWn t h esystem i n t h e e v e n t o f o v e r - o r u n d e r - ? l l i n g , f o r overt e m p e r a t u r e , f o r o v e r - p r e s s u r e , o r f o r l o s s o f f r e s h Water o rr e c y c l e ? o W . A d d i t i o n a l l y p r e c a u t io n s a r e t a k e n a g a i n s tu n d e r - p r e s s u r e t h a t m a y occur When a loW p r e s s u r e o p e r at i o n i s s h u t doWn a n d c o o l e d . A l l c u s t o m a r y e n g i n e e r i n gp r e c a u t i o n s a r e t a k e n t o e n s u r e s a f e o p e r a t i o n i n t h e e v e n t o fp a r t i a l o r t o t a l f a i l u r e o f e l e c t r i c a l o r mechanical compon e n t s .P r e f e r r e d P r o c e s s C o n d i t i o n s

I n t h e p r o c e s s o f t h e o f t h e i n v e n t i o n , c a l c i u m c a r b i d e i sf e d t o t h e p r i m a r y r e a c t o r and t h e r e a c t i o n i s a l l o W e d t op r o c e e d u n d e r t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e c o n d i t i o n s W h i c hm a x i m i Z e t h e r e c o v e r y o f a c e t y l e n e . B o t h t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e have a s i g n i ? c a n t in?uence on t h e c o n c e n t r a t i o n o fa c e t y l e n e d i s s o l v e d i n t h e o u t l e t W a t e r . The s o l u b i l i t y o fa c e t y l e n e i n Water a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e and p r e s s u r ei s g i v e n i n F I G . 2 , W h i c h shoWs t h e s o l u b i l i t y a t v a r i o u sp r e s s u r e s g a u g e ( 1 a t m a m b i e n t p r e s s u r e ) . T h e g r a p h s h o W st h a t t h e l o W e s t s o l u b i l i t y o c c u r s a t h i g h t e m p e r a t u r e s a n dl o W p r e s s u r e s . I n t h e p r e f e r r e d mode o f o p e r a t i o n , t h er e a c t i o n betWeen calcium c a r b i d e and Water i s c a r r i e d o u t a tt h e h i g h e s t t e m p e r a t u r e s a l l o W e d b y r e g u l a t i o n a n d t h el o W e s t p r e s s u r e a c c e p t a b l e a s an i n l e t p r e s s u r e f o r t h ed o W n s t r e a m a p p a r a t u s . F o l l o W i n g t h i s p r i n c i p a l , i t W o u l d b e

10

1 5

20

25

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40

45

50

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6 5

1 4d e s i r a b l e , f r o m a t h e r m o d y n a m i c p o i n t o f v i e W , t o o p e r a t et h e s y s t e m a t p r e s s u r e s b e l o W a t m o s p h e r i c v a c u u m ) a n ds u c h o p e r a t i o n i s W i t h i n t h e s p i r i t o f t h e i n v e n t i o n . P r a c t i c a lp r o b l e m s W i t h p o t e n t i a l i n g r e s s o f a i r a n d r e g u l a t o r y s t a nd a r d s may l i m i t t h e a c t u a l p r e s s u r e c o n d i t i o n s o f t h e p r o c e s st o s o m e t h i n g g r e a t e r t h a n a t m o s p h e r i c p r e s s u r e , p r e f e r a b l y0 . 0 2 b a r o r g r e a t e r .

I n t h e p r o c e s s o f t h e i n v e n t i o n t h e l o s s o f a c e t y l e n e d u et o s o l u b i l i t y i n t h e d i s c h a r g e W a t e r i s d u e t o tWo f a c t o r s , t h eamount o f a c e t y l e n e d i s s o l v e d i n a u n i t o f W a t e r o r o t h e rW i s e r e t a i n e d i n t h e s l u r r y o u t p u t ) a n d t h e number o f u n i t so f W a t e r d i s c h a r ge d p e r u n i t o f a c e t y l e n e p r o d u c e d .

Simple mass b a l a n c e c a l c u l a t i o n s shoW h a t t h e number o fu n i t s o f W a t e r d i s c ha r g e d p e r u n i t o f a c e t y l e n e g e n e r a t e d i sd i r e c t l y r e ? e c t e d i n t h e c o n c e n t r a t i o n o f h y d r a t e d l i m e i n t h eo u t l e t . F I G . 8 i l l u s t r a t e s t h e p e r c e n t o f t h e a c e t y l e n e manuf a c t u r e d Which i s l o s t t h r o u g h s o l u b i l i t y a s a f u n c t i o n o fh y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n o p e r a t i n g a t t h r e e t y p i c a l p r e ss u r e s and t t h e r m a l l y a d i a b a t i c c o n d i t i o n s and f o r a calciumc a r b i d e f e e d t h a t i s 80% CaC2 a n d 20%) CaO ( a t y p i c a lc o m p o s i t i o n ) . As s e e n f r o m t h e g r a p h , a s t h e h y d r a t e d l i m ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e s , t h e l o s t a c e t y l e n e d e c r e a s e s .

A c c o r d i n g l y , p r e f e r r e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a r e a t h i g h e rh y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n s , a t l o W e r p r e s s u r e s , a n d h i g h e rt e m p e r a t u r e s . U s i n g m a t h e m a t i c a l m o d e l i n g , a n a c e t y l e n er e c o v e r y o f 97.2% can be a c h i e v e d a t secondary r e a c t o rt e m p e r a t u r e o f 7 0 C . , a p r e s s u r e o f 1 . 3 b a r , a n d 1 4 W t .h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n . T h i s r e c o v e r y c a n b e i n c r e a s e dt o 99.8% by a s e c o n d a r y r e a c t o r t e m p e r a t u r e o f 9 0 C . , a n da p r e s s u r e o f 0 . 0 5 b a r , and a h y d r a t e d l i m e c o n c e n t r a t i o n o f40 W t . %. I n summary, t o a c h i e v e a n a c e t y l e n e r e c o v e r yg r e a t e r t h a n 97%, t h e p r o c e s s o f t h e i n v e n t i o n i s o p e r a t e d a ta s e c o n d a r y r e a c t o r t e m p e r a t u r e above 7 0 C . , a p r e s s u r ebetWeen 0 . 0 2 a n d 1 . 3 b a r g a u g e , a n d a h y d r a t e d l i m ec o n c e n t r a t i o n betWeen 14 and 40 W t . %.R a t e a n d Thermal E f f e c t s

D e t a i l s o f t h e i n v e n t i o n a r e f u r t h e r u n d e r s t o o d i n vieW o ft h e r a t e and t h e r m a l e f f e c t s .

R a t e E f f e c t sR e a c t i o n KineticsReaction k i n e t i c s r e f e r t o t h e r a t e o f

r e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b i d e W i t h W a t e r . T h i s r a t e depends ont h e s t a r t i n g s i Z e o f c a l c i u m c a r b i d e p a r t i c l e s , pH o f W a t e r ,b u t n o t m u c h on temperature o r p r e s s u r e . Rates may a l s ov a r y i n unknoWn Ways W i t h c a r b i d e s o u r c e s from d i f f e r i n gc a l c i u m c a r b i d e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s .

F I G . 9 i l l u s t r a t e s t h e k i n e t i c s o f c a l c i u m c a r b i d e r e a c t i o nW i t h W a t e r . Here t h e c o n v e r s i o n p a r a m e t e r i s de?ned a s ;

W h e r e CZH2 i s t h e a m o u n t o f a c e t y l e n e e v o l v e d a t t i m e ( t )a n d C Z H Z ) O i s t h e t o t a l amount o f a c e t y l e n e t h a t c a n b ee v o l v e d . De?ning a c o n v e r s i o n p a r a m e t e r i s t h i s f a s h i o n i sa Way o f l i n e a r i Z i n g t h e r a t e o f e v o l u t i o n o f a c e t y l e n e froma t h r e e - d i m e n s i o n a l s h ri n k i n g c a l c i u m c a r b i d e p a r t i c l e a s i tr e a c t s With W a t e r .

As shoWn f r o m t h e g r a p h o f F I G . 9 , Which s d e r i v e d f r o ma c t u a l d a t a , t h e r e a c t i o n i s i n i t i a l l y q u i t e r a p i d a s shoWn b yt h e s t e e p s l o p e o f t h e l i n e . T h i s i s f o l l o W i n g b y a r e g i m ee x h i b i t i n g much s l o W e r r e a c t i o n k i n e t i c s . The p r e s e n t i n v e nt i o n u t i l i Z e s t h e tWo r e a c t o r d e s i g n t o e x p l o i t t h i s k i n e t i cb e h a v i o r . I n t h e p r i m a r y r e a c t o r , t h e i n i t i a l r a p i d r e a c t i o ns t a g e t a k e s p l a c e , a l o n g W i t h a r a p i d g e n e r a t i o n o f h e a t . T h er e a c t i n g o f t h e p a r t i c l e i n t h e s l o W e r r e g i m e d o e s n o t o c c u ru n t i l a f t e r t h e p a r t i c l e h a s b e e n s u b s t a n t i a l l y r e d u c e d i n s i Z eand h a s been c a r r i e d i n t o t h e s e c o n d a r y r e a c t o r . The s e c


19/26

US 6 , 2 9 4 , 1 4 8 B11 5

o n d a r y r e a c t o r h a s a l o n g r e s i d e n c e t i m e . Because most o ft h e r e a c t o r s p a c e i s u s e d t o p e r f o r m t h i s s e c o n d a r y r e a c t i o na n d b e c a u s e a p l u g ?oW r e a c t i o n r e g i m e i s m a i n t a i n e d , t h ec a l c i u m c a r b i d e p a r t i c l e s c a n become f u l l y r e a c t e d , i n s p i t eo f t h e f a c t t h a t t h e i r r e a c t i o n r a t e i s sloW When t h e y a r e i nt h e s e c o n d r e a c t i o n r e g i m e .S e t t l i n g V e l o c i t y T h i s r a t e e f f e c t a d d r e s s e s s e t t l i n gv e l o c i t y o f c a r b i d e p a r t i c l e s , c a l c i u m h y d r o x i d e p a r t i c l e sa n d i n e r t i m p u r i t i e s i n t h e o r i g i n a l c a r b i d e . T h e s e t t l i n gv e l o c i t y d e p e n d s o n p a r t i c l e s i Z e , d e n s i t y o f t h e p a r t i c l e s ,d e n s i t y o f t h e ? u i d , a n d v i s c o s i t y o f t h e ? u i d . I n t h e c a s e o fc a l c i u m h y d r o x i d e , t h e s e t t l i n g r a t e a l s o d e p e n d s o n t h es e t t l i n g e f f e c t s i n a s l

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