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Einbauten für einen Wirbelbettreaktor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Arbeitsweise eines Wirbelbettes aus feinverteilten Feststoffen.
Es ist bekannt, dass Wirbelschichten, die von Gasen mit sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit aufgewirbelt werden und die als wirbelnde Festkörper verhältnismässig grobkörniges Material enthalten, leicht zu Inhomogenitäten neigen, z. B. Bildung grosser Blasen, Gaskolben und Fest- stoffontänen ; hiedurch werden die Gase ungleichmässig mit dem Feststoff in Berührung gebracht und dadurch die Kontaktreaktion benachteiligt. Dies ist besonders nachteilig, wenn man mit kurzen Verweilzeiten arbeitet, wie es z. B. bei der pyrolytischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen der Fall ist.
Man hat deshalb schon mehrfach vorgeschlagen, die Wirkungsweise einer Wirbelschicht dadurch zu verbessern, dass man in ihr mechanische Hindernisse, sogenannte Schikanen, anordnet. Hiedurch werden grosse Blasen zerschlagen oder zerteilt und die heftigen Bettbewegungen gebremst.
Beispielsweise wurden Schikanen für eine Kleinversuchsapparatur beschrieben, die an einer rotierenden Welle befestigt sind. Es ist aber erfahrungsgemäss sehr schwer, besonders bei hohen Temperaturen, derart mechanisch bewegte Teile in Gegenwart von feinverteilten Festkörpern zu betreiben [vgl. Beck : Ind. Eng. Chem. 41 (1949 II), Seite 1242/3]. Auch feststehende, an einer zentralen Welle befestigte Schikanen, die ebenfalls dort beschrieben wurden, sind in der Grosstechnik ungeeignet, weil eine einfache geometrische Vergrösserung wegen der grösseren Prallfläche eine andere als die gewünschte Wirkung hat. In beiden Fällen resultieren in grossen Reaktionsbehältern Ungleichmässigkeiten in den Strö- mungsverhältnissen.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, als Schikanen feste Schüttungen von Füllkörpern zu verwenden, die bezüglich Grösse, Gestalt und Anordnung ein Labyrinth von diskontinuierlichen gewundenen Gaswegen erzeugen (vgl.
USA-Patentschrift Nr. 2, 557, 680). Diese Körper haben jedoch erhebliche Nachteile. Sie werden bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten des Wirbelgases gegeneinandergerieben, dabei erodiert oder zerstört ; man muss ihnen daher ein hohes Raumgewicht geben, damit sie nicht durch die Fliessbewegung aus ihrer Ruhestellung entfernt werden. Diese Füllkörper haben dann, besonders wenn sie aus keramischem Material bestehen, ein grosses Eigenvolumen und beeinflussen die Grösse des Reaktionsraumes nachteilig. Auch kann nie völlig vermieden werden, dass sie lokal waagrechte oder annähernd waagrechte Flächen bieten, auf denen sich der feinkörnige Festkörper ablagert, d. h. der Wirbelschicht entzogen wird und möglicherweise verklebt.
Es sind auch feste geometrische Anordnungen beschrieben worden, die als Verteilungsflächen für etagenartig durchströmte Wirbelbettanordnungen dienen und die Aufgabe haben, den waagrechten Fluss des feinkörnigen Festkörpers über eine Etage zu homogenisieren (vgl. deutsche Patentschrift Nr. 937768). Sie sind für einheitliche grosse Wirbelbetten aber nicht verwendbar, weil sie alle die gleiche Richtung haben. Sie sind nur für relativ niedrige Wirbelbetten gedacht. Wird eine hohe Schüttung eines wirbelnden Feststoffes mit über die ganze Höhe parallelen Prallblechen versehen, so bilden sich grosse, über mehrere Schikanenlagen sich erstreckende Kanäle und schiefe Strömungen aus, die das Wirbelbett noch inhomogener machen als es ohne Schikanen sein würde. Derart angeordnete Schikanen geben ausserdem zu erheblichem Verschleiss in den oberen Lagen Anlass.
Man hat auch versucht, als Verteilungse1emente solche Schüttkörper zu benutzen, die ein relativ geringes Verhältnis von Eigenvolumen zu Zwischenkörpervolumen haben und trotzdem eine relativ grosse Oberfläche bieten, auf der sich der Festkörper nur in geringem Masse ablagern kann, und die anderseits einen grossen Widerstand für den wirbelnden Festkörper bieten, z. B. Drahtwindungen, igelartige Drahtgebilde, Prallringe usw. (vgl. brit. Patentschrift Nr. 676, 613). Diese Körper haben jedoch den Nachteil, dass sie nur eine geringe Festigkeit haben oder sich in-
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einander verhaken. Dadurch werden neue In- homogenitäten in der Schüttung und bei der
Wirbelung verursacht, die sich besonders beim
Hochtemperaturspalten von Kohlenwasserstoffen nachteilig auswirken.
Es wurde nun gefunden, dass man den bei den bekannten Anordnungen auftretenden Nachteilen dadurch begegnen kann, dass man in die Wirbel- schicht oder in einen wesentlichen Teil derselben
Einbauten einfügt, die aus in mehreren Lagen übereinander und in bestimmtem Abstand neben- einander angeordnete, schrägstehende, parallele
Prallfläche, deren Neigungsrichtung in den übereinander befindlichen Lagen wechselt, be- stehen.
Das Prinzip der erfindungsgemäss verwendeten
Einbauten ist aus den Fig. l und 2 ersichtlich.
Fig. l zeigt dabei einen Längsschnitt durch einen
Reaktor 1, in dessen Innenraum sich das nicht näher dargestellte Wirbelbett aus feinkörnigen Wärmeträgem befindet. Auf dem Rost 2 sind sechs Prallflächenlagen 3 von Prallfläche 4 ange- ordnet. Diese Prallflächenlagen sind durch die
Verstrebungen 5 miteinander verbunden. Fig. 2 zeigt die Aufsicht auf eine Prallflächenlage, bei der die Prallfläche in vier Gruppen 6-9 zu- sammengefasst sind.
Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, den Neigungswinkel cl der Prallplatten zur Horizontalen (vgl. Fig. 3, die die seitliche Ansicht eines Ausschnittes einer Prallflächenlage wiedergibt) so einzustellen, dass einerseits der feinkörnige Festkörper sich nicht darauf ablagert, sondern restlos auf ihnen herabgleiten kann und dass anderseits die aufgewirbelten, also sich nach oben bewegenden Festkörperteile in ihrer Bewegung nach oben hinreichend gebremst werden, wodurch die Dichte der Wirbelschicht erhöht und der Kontakt mit den Gasen verbessert wird. Gleichzeitig darf aber die Austauschreaktion des Festkörpers, z. B. der Wärmeaustausch, wie er für ein Wirbelbett charakteristisch ist, nicht wesentlich beeinträchtigt werden, was bei den früher verwendeten Hindernissen meist der Fall war.
Es hat sich gezeigt, dass die Prallfläche, z. B. im Falle von Pyrolysereaktionen mit inerten, zirka l mm grossen Wärmeträgern, im allgemeinen eine Neigung oc von 40 bis 65 , vorzugsweise um 50 , zur Horizontalebene haben müssen, um die im vorigen Absatz beschriebenen Fliessbedingungen zu erfüllen. Die günstigsten Verhältnisse sind in den einzelnen Fällen leicht durch Vorversuche zu bestimmen.
Meistens hängt es von der Grösse dieses Winkels ab, wie weit die parallelen Prallplatten voneinander entfernt sein müssen. Sind die schrägen Prallfläche verhältnismässig steil, dann müssen die horizontalen Abstände A (vgl. Fig. 3) zwischen ihnen gering sein ; sind die Prallfläche flach, dann können die Abstände grösser sein. Die Abstände A zwischen den parallelen Prallplatten stehen also in einem ganz bestimmten Verhältnis zu den Dimensionen und dem Winkel einer Prallfläche, um gute Ergebnisse zu erzielen.
Es hat sich gezeigt, dass bei einem zu grossen Abstand A zwischen den parallelen Prallplatten ungebremster Festkörper hindurchströmt, und dass bei zu eng aneinanderliegenden ("sich überlappenden") Prallfläche der Wärme- bzw. Stoffaustausch in vertikaler und horizontaler Richtung hin unbefriedigend ist. Als besonders günstig hat sich erwiesen, die Platten in einem solchen Abstand voneinander anzuordnen, dass ihre Horizontalprojektionen P gerade aneinandergrenzen, wozu-bezüglich des horizontalen Abstandes Anoch Überlappungen bzw. Aufweitungen der Abstände um : : t 20% tragbar sind, d. h. A kann 20% von P betragen.
Verwendet man Umsetzungsräume mit grossem Querschnitt, so ist es zweckmässig, die Prallflächenlagen zu unterteilen, z. B. in vier Kreis-
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Gruppen jeder Lage verschieden sind.
Weiterhin ist es ein Kennzeichen der erfindungsgemässen Einbauten, dass die Neigungsrichtung der einzelnen Lagen der übereinanderliegenden Prallfläche bzw. Prallflächengruppen wechselt, wobei die Richtung der Kanten der
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Lage ist demnach gleich der ersten. Dem von unten anprallenenden Festkörper wird hiebei in jeder Lage genügend Widerstand entgegengesetzt, so dass er abgelenkt und gebremst wird.
Die erfindungsgemäss angeordneten Einbauten lösen die Bewegung der Gase und Dämpfe zu kleinen Einzelströmen auf und verhindern das Entstehen grösserer Blasen. Ferner bewirken die erfindungsgemäss angeordneten Flächen, dass auch der Einzelstrom immer wieder gebrochen und aufgelöst wird, so dass an keiner Stelle des Wirbelbettes erhöhte Feststoffgeschwindigkeiten auftreten können. Aus diesem Grund ist es auch zweckmässig, den gesamten Querschnitt des Reaktors mit den Schikanen zu erfüllen, damit an keiner Stelle ein Einzelstrom hindurchschiessen kann, denn die an diesen Stellen auftretenden erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten der Festkörper würden ein verstärktes Aufprallen der Feststoffe auf die Flächen und damit deren Verschleiss bedingen.
Zur Erzielung einer optimalen Bremswirkung ist es nötig, die Höhe H einer Prallflächenlage in bestimmter Weise zu begrenzen. Das zwischen zwei Platten sich schräg aufwärts bewegende Korn erfährt auf diesem Weg eine Beschleunigung ; bevor diese Beschleunigung einen kritischen Höchstwert erreicht hat, muss das Korn bereits aus der betreffenden Lage ausgetreten sein und die nächste Lage erreicht haben, an deren Prallflächen es dann in eine neue Richtung umgelenkt, also gebremst wird.
Wird innerhalb einer Lage die kritische Geschwindigkeit über-
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schritten, dann wird das Korn in dem Raum zwischen zwei Lagen zu stark aufgewirbelt und verursacht an der nächstfolgenden Prallfläche-
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zogen auf festkörperfreien Raum-aufgewirbelt werden, eignen sich Flächenbreiten h von ungefähr 40-110 mm, vorzugsweise 70-80 mm, wobei die Lagenhöhe H (vgl. Fig. 3) zirka 30-90mm, vorzugsweise zirka 60 mm, beträgt.
Es ist notwendig, zwischen den einzelnen Prallflächenlagen einen Zwischenraum Z vorzusehen, der dazu dient, dem wirbelnden Festkörper ungehinderten Wärme- bzw. Stoff aus- tausch nach allen horizontalen Richtungen hin zu ermöglichen. Diese Zwischenzone muss aber anderseits genügend klein gehalten werden, damit die Bremswirkung nicht wieder völlig aufgehoben wird. Bei niedrigen linearen Geschwindigkeiten kann die Höhe der Zwischenzone verhältnismässig gross sein, bei grossen Gasgeschwindigkeiten verhältnismässig klein. Zweckmässig wählt man
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Vorzugsweise werden Abstände von 0, 3 bis 0, 5 H gewählt.
Die Abstände der Prallflächenlagen können auch innerhalb desselben Wirbelbetts variiert werden. Es kann vorteilhaft sein, im unteren Teil des Wirbelbettes grosse und im oberen Teil des Bettes kleine Abstände einzuhalten, dann nämlich, wenn z. B. innerhalb der Wirbelschicht durch den Reaktionsablauf eine Vergrösserung des Gasvolumens stattfindet. Oder es kann wünschenswert sein, in verschiedenen Bereichen des Wirbelbetts eine verschiedene Feststoffdichte einzuhalten. Zweckmässig wird auch zugleich mit diesen Abständen die Bremsfähigkeit einer Schikanenlage geändert (Abstand, Höhe, Neigung der Prallbleche).
Es ist vorteilhaft, die Prallfläche noch über die Obergrenze der Wirbelschicht hinausragen zu lassen, damit auch bei Standschwankungen noch genügend Sicherheit gegen Eruptionen des Wirbelbetts vorhanden ist.
Als Material für die Einbauten können Metalle oder Metallegierungen oder keramische Massen verwendet werden, die den chemischen und mechanischen Ansprüchen gegebenenfalls auch bei hohen Temperaturen gerecht werden. Es kann auch zweckmässig sein, solche Materialien anzuwenden, die selbst katalytisch wirksam sind. Wesentlich ist es, zumindest die Oberseite der Flächen möglichst glatt auszubilden. Vorteilhafterweise werden die Oberflächen gegen Erosion noch besonders geschützt, z. B. durch Aufbringen einer Schutzschicht aus besonders widerstandsfähigem Material. Die Wandstärken der Einbauten sollen dabei möglichst gering gehalten werden, denn es ist für die Betriebsweise eines Wirbelbetts und für die Einhaltung einer günstigen Raum - Zeit - Ausbeute wesentlich, die Raumerfüllung der Schikanen so gering wie möglich zu halten.
Dieses Ziel ist mit den erfindungsgemäss verwendeten Einbauten besonders gut zu erreichen. Die Raumerfüllung der Einbauten beträgt im allgemeinen nur 2-10%, keinesfalls jedoch mehr als 20% des Leervolumens des Reaktionsraumes, in dem sie sich befinden.
Die Befestigung der Einbauten kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Man kann z. B. die Lagen insgesamt oder in Gruppen zusammengefasst zu einem Paket mittels eines Gestänges verbinden, indem man sie z. B. an mehrere senkrechte Haltestäbe anschweisst, wodurch das Gesamtpaket infolge seines Gewichtes bereits genügend Halt erhält. Die Haltevorrichtungen können aber auch fest mit der Wand oder dem Boden des Reaktionsgefässes verbunden sein.
Durch die einfache Befestigungsart der Prallflächenlagen an dem Gestänge wird es ermöglicht, in kurzer Zeit die Abstände der Lagen zu ver- ändern. Die Befestigung sollte dabei so erfolgen, dass die Einbauten auch bei hohen Geschwindigkeiten nicht vibrieren und sich nicht aneinander reiben können. Horizontale Flächen sollten auch bei der Haltevorrichtung möglichst weitgehend vermieden werden, um die Ablagerung von feinkörnigen Feststoffen zu vermeiden.
Führt man die Reaktionsteilnehmer in das Reaktionsgefäss von unten ein, so empfiehlt es sich häufig, die Einbautenlagen erst nach einer gewissen Vormischzone beginnen zu lassen, d. h. in einem gewissen Abstand oberhalb der Einführung der Reaktionsteilnehmer, damit auf jeden Fall gewährleistet ist, dass die Reaktlonsteil- nehmer vor Eintritt in die Schikanenschicht sich gut über den gesamten Querschnitt des Behälters verteilt haben, und dass dann die Einbautenschicht möglichst gleichmässig beaufschlagt wird.
So wird ausserdem verhindert, dass ein aus der Aufgabevorrichtung austretender Strahl, solange er noch scharf gerichtet ist, an der untersten Schikanenlage Erosion verursacht.
In vielen Fällen ist es-besonders bei Hochtemperaturreaktionen-sehr erwünscht, die Reaktionsprodukte nach ihrem Austritt aus der Wirbelschicht schnell-z. B. durch Eindüsen von Wasser-abzukühlen. Nach den bisherigen Verfahren war diese Arbeitsweise meist dadurch beeinträchtigt, dass aus dem Wirbelbett hochgerissene Feststoffe ebenfalls von dem Kühlmittel teilweise abgekühlt wurden. Oder man konnte die Abkühlung der Reaktionsprodukte erst an einer späteren Stelle vornehmen, wodurch gewisse unerwünschte Nachreaktionen in Kauf genommen werden mussten.
Bei Verwendung der erfindungsgemäss verwendeten Einbauten ist es ohne weiteres möglich, bereits noch im Umsetzungsgefäss, u. zw. unmittelbar über der Wirbelschicht, die Einspritzung von Kühlmitteln vorzunehmen.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich zum Arbeiten mit dichten Wirbelschichten aus feinverteilten Festkörpern und aufströmenden Gasen bei verhältnismässig hohen Gasströmungs-
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geschwindigkeiten, insbesondere für Prozesse bei hohen Temperaturen, z. B. Öl-Spaltprozessen.
Es lässt sich aber auch anwenden auf jede andere Art von Wirbelbettprozessen, also auch auf solche bei niederen Temperaturen, z. B. chemische Umsetzungen zwischen Gasen und Festkörpern oder zwischen Gasen in Gegenwart von Festkörpern, Trocknungs-, Entgasungs- und Vergasungsprozesse usw.
Beispiel 1 : In einem zylindrischen Reaktionsgefäss von 0, 5m Durchmesser wurde eine Wirbelschicht aus einem anorganischen Wärmeträger der Korngrösse 0, 2-1, 0 mm bei 8000 C aufrechterhalten. Die Wärmeträger durchlaufen das Reaktionsgefäss in kontinuierlichem Strom, wobei sie am oberen Ende der Wirbelschicht seitlich eintreten und am unteren Ende der Wirbelschicht abgezogen werden. Als Aufwirbelungsgas wirken die Dämpfe und Krackgase aus 150 kg/h Benzin und 150 kg/h Wasserdampf.
Die Geschwindigkeit der Dämpfe, bezogen auf den leeren Reaktor, beträgt beim Austritt aus der Wirbelschicht 1, 8 m/sec. Im Reaktionsgefäss befinden sich oberhalb der Aufgabevorrichtung der Reaktionsteilnehmer 15 Lagen Schikanen aus wärmebeständigem legiertem Stahl. Jede Lage hat parallele Prallbleche, die eine Höhe H von 40 mm und einen horizontalen Abstand voneinander von 30 mm und einen Neigungswinkel von 50 haben. Der Abstand von Lage zu Lage beträgt 15 mm. Die horizontale Richtung der Prallblechkanten wechselt von Lage zu Lage um 90 .
Mittels dieser Hindernisse konnte monatelang störungsfreier Betrieb aufrechterhalten werden.
Die Wirbelbettdichte blieb unverändert bei 1, 0 kg/l. Trotz der hohen Gasgeschwindigkeit im Wirbelbett trat kein stossweises Arbeiten und keine Bildung von grösseren Blasen auf, da die Schrägflächen die Strömung unterteilten, unterbrachen und in wechsende Richtung lenkten.
Trotzdem herrsche an allen Stellen des Wirbelbetts praktisch gleiche Temperatur.
Beispiel 2 : Bei der Dehydrierung von Butylen zu Butadien im Wirbelbett durchwandern der Kohlenwasserstoff und der gekörnte Kontakt im Gegenstrom einen Reaktor. Die Strömungsgeschwindigkeit der aufsteigenden Dämpfe ist so bemessen, dass im Reaktor ein lebhaftes Wirbelbett aufrechterhalten wird. Da bei dieser Reaktion der Kontakt nicht nur als Wärmeträger dient, sondern auch mit dem Kohlenwasserstoff reagiert, ist zur Erzielung guter Ergebnisses eine äusserst feine Aufteilung der Dämpfe im Wirbelbett erforderlich.
Innerhalb des Wirbelbettes befinden sich 15 Lagen von Prallblechen aus wärmebeständigem legiertem Stahl. Jede Lage hat parallele Prallbleche, die eine Höhe H von 60 mm und einen horizontalen Abstand voneinander von 40 mm und einen Neigungswinkel von 650 haben.
Der Abstand von Lage zu Lage beträgt 60 mm. Die horizontale Richtung der Prallblechkanten wechselt von Lage zu Lage um 60 o.
Mit dieser Anordnung wurde im Vergleich zur Fahrweise ohne Prallbleche durch die gleichmässigere Verteilung der Gase im Wirbelbett ein um 20% höherer Gehalt an Butadien im Dehydriergas gefunden.
Entsprechend gute Ergebnisse werden auch bei der Umwandlung von Benzol zu Diphenyl und Terphenyl erhalten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einbauten für einen Reaktor zur Behandlung von Gasen und Dämpfen mit staubförmigen oder feinkörnigen Feststoffen in einem Wirbelbett, die aus in mehreren Lagen übereinander und in bestimmtem Abstand nebeneinander angeordneten, schrägstehenden, parallelen Prallfläche bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungsrichtung der Prallfläche in den übereinander befindlichen Lagen wechselt.