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Verfahren zur kontinuierlichen Durchführung von Wirbelschichtreaktionen zwischen pulverisierten Feststoffen und Gasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Be- handlung von pulverisierten Feststoffen mit
Gasen gemäss der als Wirbelschichtverfahren" (Fluidisation) bezeichneten Methode und eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens.
Es ist bekannt, pulverisierte Feststoffe im Zu- stand der Verwirbelung mit Gasen zu behandeln.
Wenn jedoch dieses Verfahren bei mehr oder weniger erhöhter Temperatur durchgeführt wer- den soll, so lassen, insbesondere falls eine chemische Reaktion stattfindet, die Ausbeuten, vor allem auch die Wärmeausbeute, oft zu wünschen übrig. Anderseits verlangt der Betrieb der Vorrichtung meistens eine genügend hohe Energiezufuhr, um den Umlauf der Gase und Pulver sicherzustellen.
Erfindungsgemäss wird demgegenüber eine bedeutende Einsparung an Wärme bzw. Energie erzielt, wobei gleichzeitig die quantitative Ausbeute ansteigt. Unter Aufrechterhaltung eines völlig kontinuierlichen und automatischen Betriebes kommt man durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem sehr viel geringeren Energieaufwand für die Zirkulation der Gase und Pulver aus als bisher. Zugleich wird dabei die Ausbringung der Vorrichtung, d. h. also deren Kapazität, gesteigert.
Das Verfahren nach der Erfindung besteht in erster Linie darin, dass man ein Pulver zunächst in Gestalt einer durch die Behandlung-un gegebenenfalls Heizgase verdünnten Wirbelschicht eine Vorbehandlungszone passieren lässt, in der vorzugsweise seine Berührungszeit mit dem Gas verhältnismässig kurz ist, dass man es dann in eine Hauptbehandlungszone überführt, in welcher es in verhältnismässig dichter Wirbelschicht bedeutend länger verbleibt als in der Vorbehandlungszone, und dass man es weiterhin einer Auffangzone zuleitet, in der es entweder in verdünnter oder in dichter Wirbelschicht verhältnismässig kurz nachbehandelt wird.
In der Hauptbehandlungszone, die im folgenden auch als Hauptwirbelzone"bezeichnet wird, kann ebensowohl, gegebenenfalls gleichzeitig, eine chemische Reaktion wie eine physikalische Umsetzung stattfinden. Das gleiche gilt für die Vorbehandlungs-und die Auffangzone.
Verfahren bzw. Vorrichtungen, mit Hilfe deren Pulver in drei verschiedenen Wirbel- zonen mit Gasen zur Reaktion gebracht werden, sind bereits in der Patentliteratur beschrieben.
So sind beispielsweise bei einer bekannten Vor- richtung mehrere in Serie geschaltene Reaktions- räume zur Behandlung von Feststoffen im Fliess- zustand vorgesehen. Dort wird jedoch vor- geschlagen, für die sich voneinander kaum unter- scheidenden Reaktionsräume die Serienschaltung anzuwenden, da sich in den Verbindungsrohren zwischen den einzelnen Zonen die Temperatur nur schwer regeln lässt. Demgegenüber wird das Verfahren nach der Erfindung in drei hinter- einander geschalteten Reaktionszonen durchge- führt, in welchen abwechselnd in verdünnter und dichter Wirbelschicht gearbeitet wird. Hie- durch wird nicht wie beim Arbeiten in der be- kannten Vorrichtung nur einfach eine Temperaturregelung, sondern in erster Linie die wirtschaftliche Ausnützung der Wärme erreicht.
Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Reaktion zwischen Gasen und Feststoffen in einem Vierzonensystem durchgeführt wird, das aus einer Vorwärmzone, einem Vorreaktor, einem Hauptreaktor und einem Wärmeaustauscher besteht. Hiebei verlaufen jedoch sämtliche Arbeitsprozesse in der dichten Wirbelschicht, u. zw. in der Vorwärmzone ohne Mitführung des Pulvers. Die Wärmebilanz des bekannten Verfahrens ist bedeutend schlechter als diejenige des Verfahrens nach der Erfindung.
Dasselbe gilt für andere bekannte katalytische Verfahren unter wiederholter Reaktivierung des festen Katalysators. Auch hiebei werden in den verschiedenen Kammern keine unterschiedlich dichten Wirbelschichten angewandt, und diese Verfahren nehmen auf eine möglichst vorteilhafte Wärmeausnützung keine Rücksicht.
Gemäss einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens bleibt das Pulver beim Durchgang durch die Vorbehandlungs-und die Auffangzone nur sehr kurze Zeit in Berührung mit dem Gas, während im Gegensatz hiezu die Kontaktzeit in der eigentlichen Reaktionszone sehr viel länger ist.
Die absoluten Werte der Kontaktzeiten hängen selbstverständlich von der Art der durchzu-
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führenden Behandlung, insbesondere auch von der Geschwindigkeit des Reaktionsablaufes ab, soweit eine chemische Einwirkung des Gases auf das Pulver stattfindet. Die Kontaktdauer kann beispielsweise in der Vorbehandlungs-und der Auffangzone einige Sekunden betragen, während sie sich in der Reaktionszone auf mehrere Stunden belaufen kann.
Erfindungsgemäss können zwei oder mehrere verschiedene Gase oder Dämpfe auf das gleiche
Pulver einwirken, wobei sie nach einer beson- deren Durchführungsform getrennt voneinander auf das Pulver zur Einwirkung gebracht werden.
Benützt man zum Aufheizen des Pulvers bei- spielsweise Heizgase, wie Verbrennungsgase,
Heissluft od. dgl., und behandelt dieses ausserdem mit Hilfe eines oder mehrerer anderer Gase zwecks Durchführung einer chemischen Reaktion, so lässt man die Heizgase für sich in Zonen auf das Pulver einwirken, welche von denjenigen getrennt sind, in welchen es mit den Reaktions- gasen in Berührung tritt.
Nach einer andern Durchführungsform der Erfindung können die Heizgase und die Reaktionsgase auch gemeinsam in einer oder mehreren der üblichen Wirbelzonen auf das Pulver einwirken.
Gemäss einer besonderen Durchführungsform erfolgt die Zufuhr von frischem Pulver zu der Vorbehandlungszone, in welcher in verdünnter Phase gearbeitet wird, mit Hilfe der Gase, die aus der Hauptwirbelzone, welche diese Gase vorher durchlaufen haben, stammen. Umgekehrt kann in der dritten, der sogenannten Auffangzone, frisches Gas dazu benutzt werden, um das Pulver abzuführen, das bereits in einer oder mehreren der vorangehenden Zonen mit Gasen in Berührung gebracht wurde.
Die Vorbehandlungszone, welche der Hauptwirbelzone vorgeschaltet ist, und die ihr nachgeschaltete Auffangzone dienen dem allgemeinen Zweck, die Reaktion zu vervollständigen oder bzw. und die Wärmeübertragung zwischen Pulver und Gas zu bewirken.
Das Verfahren nach der Erfindung lässt sich mit Vorteil für eine grössere Anzahl in der Technik vorkommender Arbeitsprozesse verwenden, unter welchen die folgenden als Beispiele erwähnt seien : Behandlung von Oxyden oder anderen Metallverbindungen, z. B. AI O, CaO, MgO, NazC03, UOz, TiOz usw. mit gasförmigen Säuren wie HCI, HF usw. ; Hydrierungen ; das Rösten von Sulfiden ; Dehydratisierungen ; verschiedene Trocknungsprozesse usw.
Die Vorrichtung nach der Erfindung, in der das Verfahren durchgeführt wird, besteht aus einer Kombination von mindestens drei Kammern bzw. drei Kammergruppen, die mit Einrichtungen zur Durchwirbelung (Fluidisierung) eines Pulvers mit einem Gas versehen sind, ferner aus Einrichtungen zur Abscheidung des Pulvers aus dem Gas, die zwischen dem Auslass der einen Kammer und dem Einlass der folgenden angeordnet sind, und weiterhin aus Einrichtungen zur Förderung des Pulvers und des Gases durch die erwähnten Kammern, gegebenenfalls im
Kreislauf.
Die erste Kammer bzw. die zur Vorbehandlung dienende Kammergruppe besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren rohrartigen Einzelteilen, bei welchen das Verhältnis der Länge zum Durchmesser sehr gross ist. Diese Vor- richtungsteile sind mit Saug- oder Blaseinrichtungen ausgerüstet, welche die gleichmässige
Mitführung des Pulvers durch das Gas gewährleisten. Die rohrförmigen Teile können senkrecht, geneigt oder waagrecht angeordnet sein, wobei aus baulichen Gründen eine senkrechte oder schräge Anordnung bis zu 45 Neigung bevorzugt ist.
Am Ausgangsende der rohrförmigen Teile sind Separatoren angeordnet, z. B. Zyklone, über welche der Pulverumlauf mit der folgenden, als Reaktionsraum dienenden Kammer bzw. Kammergruppe verbunden ist. In der letzteren soll das Pulver längere Zeit verweilen. Die einzelnen Kammern bestehen in einem Behälter, der z. B. zylindrisch gestaltet ist und einen waagrechten Querschnitt von beträchtlicher Grösse aufweist.
Sie ist mit einem Zwischenboden bzw. einer Teilungswand mit Öffnungen zum Gasdurchtritt versehen, unterhalb dessen ein Gaseinlass und oberhalb dessen ein Gasauslass vorgesehen ist. Über dem perforierten Zwischenboden sind ferner ein oder mehrere Zuführungen für das Pulver angeordnet, die in gleicher oder nahezu gleicher Höhe liegen wie die Auslass- öffnungen für das Pulver, jedoch in gehöriger Entfernung davon, vorzugsweise diametral gegen- über. Die Zufuhröffnungen können auch in einer wesentlich verschiedenen Höhe wie die beispielsweise in der Nähe der perforierten Platte angebrachten Auslassöffnungen liegen, etwa weit oberhalb des Zwischenbodens, nahe dem oberen Ende der Wirbelschicht.
Der waagrechte Querschnitt der Reaktionskammer kann erfindungsgemäss entweder grösser sein als der senkrechte Querschnitt, wobei dann das Pulver einen im wesentlichen horizontalen Weg zurücklegt, oder die Höhe der Kammer kann grösser als ihre Breite sein, wobei dann ein im wesentlichen vertikal gerichteter Weg zurückgelegt wird.
Die Zeichnung dient zur näheren Erläuterung der Erfindung, wobei sich Fig. 2 seitlich an die Fig. 1 anschliesst.
Fig. 1 stellt schematisch die Vorbehandlungskammer dar, während Fig. 2 die Reaktions- und Auffangkammer zeigt.
Gemäss Fig. 1 wird durch den Aufgabetrichter 1 das z. B. aus einem Rotationsfilter kommende Material zugeführt. Aus dem Verteiler 2 fällt beispielsweise Tonerdehydrat in die endlose Förderschraube 3, welche es zu dem Boden des Rohres 4 führt, das in diesem Fall eine der Vorbehandlungskammern darstellt und gleichzeitig zur Entziehung des Hydratwassers und als zusätzliches Reaktionsgefäss dient. Durch dieses
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Rohr 4 wird beim Betrieb von unten nach oben ein über die Leitung 8 aus den über der Reaktionskammer 13 angeordneten Separatoren 16, 16' (Fig. 2) entnommener heisser Gasstrom, der wenig HF enthält, zugeführt.
Diese Gase führen die Tonerde nach oben zum Kopf des Rohres 4, wobei ihr teilweise das Hydratwasser entzogen wird, während aus der anwesenden Fluorwasserstoffsäure und dem Aluminiumoxyd die ersten Anteile an AIT 3 gebildet werden.
Das in der Zone 4 in verdünnter Phase verwirbelte Material erreicht dann die Separatoren 5, 5'und 5", von wo das Pulver nach unten zu der Sammelstelle 6 absinkt, während die Gase, deren Gehalt an HF verbraucht ist, in einen üblichen Gasreiniger geleitet werden, der nicht dargestellt ist.
Über die Leitung 7 erreichen die teilweise dehydratisierten und fluorisierten Tonerdeteilchen den Boden des Rohres 10, das die zweite Vorbehandlungskammer darstellt. Sie werden dann wieder durch einen heissen Luftstrom mitgerissen, der von einer Aufheizvorrichtung 9 herangeführt wird. So entsteht dann wieder ein in verdünnter Phase verwirbeltes System, das die Kammer 10, die ausschliesslich zur Dehydratisierung dient, von unten nach oben durchstreicht.
EMI3.1
das Pulver sinkt über Leitung 12 zu dem unteren Ende einer dritten Vorbehandlungskammer, welche durch das Rohr 15 dargestellt wird.
Dieses ist über der Reaktionskammer 13 angeordnet und wird daher von Gas durchstrichen, dem ein Teil des HF entzogen ist. Dieser Gasstrom führt die Pulverteilchen nach oben, wobei ihnen wiederum Hydratwasser entzogen wird und sie aufs neue fluorisiert werden.
Die Wirbelschicht durchläuft dann das Separatorensystem 16, 16', von wo Tonerde nach unten über Leitung 17 in die Hauptwirbelkammer 13, d. h. in das eigentliche Wirbelbett absinkt ; dort findet die Hauptreaktion zwischen HF und Tonerde statt.
Im Reaktor 13 ist eine Platte 14 aus Monelmetall angeordnet, welche durch im Abstand von 15 mm voneinander angeordneten Öffnungen von 1 mm # durchbrochen ist. Die Gase, die die zur Reaktion bestimmte Fluorwasserstoffsäure enthalten, werden über Leitung 22 zugeführt und durchdringen die Platte 14 von unten nach oben, wobei sie das Tonerdepulver verwirbeln.
Das als Reaktionsprodukt anfallende Aluminiumfluorid verlässt den Reaktor 13 über die Abzugsleitung 18 und wird von unten in die Auffangzone 20 eingeführt, die die Gestalt eines Rohres aufweist, welches bei 19 mit Frischgas aus einem HF-Generator versorgt wird. Die Gase reissen das heisse Fluoridpulver mit, dessen verfügbare Wärme auf diese Weise wiedergewonnen wird. Die hiedurch aufgeheizten Gase werden im Separatorensystem 21, 21'ab- getrennt und über Leitung 22 der Reaktionskammer 13 zugeführt, während das pulverförmige Fluorid über Leitung 23 in einem Silo abgezogen wird.
Der Umlauf der Gase wird bewirkt mittels Saugventilatoren, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Hieraus ergibt sich in der gesamten Vorrichtung ein geringer Unterdruck, der Verluste vermeiden hilft.
Als Material für die hauptsächlichen Teile der Vorrichtung hat sich rostfreier Stahl bewährt.
Beispiel : Für eine Ausbringung von 20 t wasserfreies Aluminiumfluorid mit einem Gehalt von 92% AlF 3 innerhalb 24 Stunden wurde eine Vorrichtung mit folgenden Ausmassen benutzt :
EMI3.2
<tb>
<tb> Durchmesser <SEP> Höhe
<tb> mm <SEP> mm <SEP>
<tb> Rohr <SEP> 4 <SEP> """""""'" <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Rohr <SEP> 10 <SEP> """""""" <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> 12, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Rohr <SEP> 15 <SEP> """""""" <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Reaktor <SEP> 13
<tb> (zylindrischer <SEP> Teil)..... <SEP> 3, <SEP> 50 <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Auffangkammer <SEP> 20....... <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP> 7, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Unter folgenden Arbeitsbedingungen liessen sich ausgezeichnete Ergebnisse mit Ausbeuten über 95% erreichen :
EMI3.3
<tb>
<tb> HF-Gehalt <SEP> der <SEP> Gase
<tb> Temperatur <SEP> (g <SEP> Hf <SEP> je <SEP> m2 <SEP> inertes
<tb> 0 <SEP> C <SEP> Gas, <SEP> bestimmt <SEP> bei
<tb> 200)
<tb> Auffangkammer <SEP> 20,
<tb> unteres <SEP> Ende...... <SEP> 150-180 <SEP> 160-260
<tb> Kopf <SEP> von <SEP> 20 <SEP> bzw. <SEP> in <SEP> 22
<tb> beim <SEP> Eintritt <SEP> in <SEP> 13. <SEP> 220-300 <SEP> 155-240
<tb> Rohr <SEP> 15, <SEP> unten <SEP> bzw. <SEP> am
<tb> Auslass <SEP> aus <SEP> 13..... <SEP> 500-600 <SEP> 20-30
<tb> Rohr <SEP> 15, <SEP> oben....... <SEP> 350-450 <SEP> 15-25
<tb> Rohr <SEP> 4, <SEP> oben........ <SEP> 200-300 <SEP> 15-25
<tb> Rohr <SEP> 10, <SEP> unten...... <SEP> 500-700
<tb> Rohr <SEP> 10, <SEP> oben....... <SEP> 300-350
<tb>
Die Kontaktzeiten des Gases mit den Feststoffen betrugen im allgemeinen 1-3 Sekunden in den Kammern 4, 10, 15, 13 und 20.
Die Kontaktzeiten der pulverförmigen Feststoffe mit dem Gas betrugen in den Kammern 4, 10, 15 und 20 ebenfalls 1-3 Sekunden ; in Kammer 13 jedoch verblieb das Pulver 4-6 Stunden der Einwirkung des Gases ausgesetzt.
Eine als Beispiel aufgeführte Siebanalyse des bei dem Verfahren nach der Erfindung erhaltenen Aluminiumfluorides zeigt folgende granulometrische Zusammensetzung :
EMI3.4
<tb>
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 100 <SEP> <SEP> ...................99,5%
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 80 <SEP> {L..................... <SEP> 92 <SEP> % <SEP>
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 65 <SEP> <SEP> ................70%
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 35 <SEP> <SEP> ................ <SEP> 18 <SEP> %
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 25 <SEP> ............... <SEP> 7 <SEP> %
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 10 <SEP> <SEP> ............... <SEP> 5%
<tb> bis <SEP> zu <SEP> 5 <SEP> ....................... <SEP> 0 <SEP> %
<tb>
Nach möglichst festem Packen zeigten die Pulver eine (scheinbare) Dichte von 1, 6 bis 1, 85.