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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder feinkörniger fester Stoffe mit einem Trägergas sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder feinkörniger fester Stoffe mit einem Trägergas sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten eines oder mehrerer solcher Stoffe und zur Änderung des Aggregatzustandes eines oder mehrerer Stoffe unter Teilnahme des Trägergases, wobei das Trägergas mit Drall axial und der bzw. die zu mischenden Stoffe vorzugsweise koaxial in eine rotationssymmetrische Misch-bzw.
Reaktionskammer eingeleitet werden und in dieser miteinander in einer durch geeignete Führung des Gases entstehende Zone hoher Turbulenz vermischt bzw. zur Reaktion gebracht werden, wobei der Austritt der Gase bzw. Stoffe an dem, dem Eintritt entgegengesetzten Ende der Kammer axial oder tangential erfolgt.
Reaktionsapparate zur Durchführung von Prozessen und Verfahren, die eine innige Durchmischung der Prozessteilnehmer voraussetzen, sind bekannt. Sehr oft bedient man sich dabei eines Trägergases, das z. B. bei thermischen Prozessen für die Energiezu-oder-abfuhr sorgt oder auch ganz oder teilweise als Reaktionsteilnehmer auftritt. Reaktionen, in denen das Trägergas bzw. Teile von ihm teilnehmen, stellen beispielsweise Verbrennungsvorgänge dar.
Als Beispiel für Reaktionsapparate, bei denen das Trägergas die Aufgabe des Energietransportes übernimmt, seien Trocknungsvorgänge in Fliessbettreaktoren oder in sogenannten Sprühtrocknern genannt. Dabei übernimmt das Trägergas auch den Abtransport der dem Gut entzogenen Feuchtigkeit.
Die Reaktoren der genannten Art weisen jedoch Nachteile auf, die ihre Einsatzmöglichkeiten stark einschränken. So ist unter anderem die Wärmebehandlung von feinkörnigen Feststoffen in Fliessbettreaktoren nicht möglich bei Stoffen, die eine Schmelzzone durchlaufen, also möglicherweise verklumpen, wie dies bei der Aufarbeitung von Eisensulfat-Heptahydrat der Fall ist. Sprühtrockner für die Abscheidung von in Flüssigkeiten gelösten oder emulgierten Stoffen wie Waschpulver oder Trockenmilch benötigen als Folge langer notwendiger Verweilzeiten der Teilchen bis zur vollständigen Behandlung grosse Bauvolumina. Lange notwendige Verweilzeiten ergeben sich als Folge relativ geringer Turbulenzen zwischen Wärmeträger und Gut.
Die Gefahr, dass bei Sprühtrocknern teilweise behandelte Teilchen an die Wände gelangen und dort verkleben, führt dazu, dass diese erfahrungsgemäss mit beträchtlich grösserem Volumen gebaut werden als der Auslegung nach der notwendigen Verweilzeit der Teilchen entspräche. Das grosse Bauvolumen solcher Apparate wirkt seinerseits prohibitiv auf die Anwendung hoher, die Reaktionen beschleunigende, Temperaturen. Der Gedanke, den Mischungsvorgang zu intensivieren und damit den Stoffaustausch bzw. bei einem Gas als Energieträger den Wärmeaustausch der Prozessteilnehmer zu beschleunigen, liegt dem vorliegenden Verfahren zugrunde, das darauf beruht, hohe Turbulenzen in einer Mischkammer zu erzeugen.
Durch neuere Untersuchungen ist bekannt, dass eine besonders intensive Turbulenzzone dadurch hervorgerufen werden kann, wenn man zwei parallele Gasströme so führt, dass sie mit annähernd gleich
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grosser, jedoch entgegengesetzt gerichteter Geschwindigkeit aneinander entlanglaufen. Diese Erkenntnis wurde bereits bei einer Mischkammer benutzt, bei der z. B. ein Gasstrom mit Drall so in eine sich in Hauptströmungsrichtung erweiternde Kammer eingeführt wird, dass dieser Gasstrom entlang der Wandung strömt, in der Nähe des Austrittes sich ein Teil des Gasstromes umkehrt und im Bereich der Kammerachse zurückströmt. Zwischen Haupt-und Rückströmung soll sich eine Zone hoher Turbulenz bilden, in der in diese eingebrachte Stoffe durchmischt werden sollen.
Tatsächlich konnte die beschriebene Turbulenzzone nachgewiesen werden, jedoch zeigte sich, dass diese Zone sehr schmal ausgebildet ist ; es stellte sich nämlich heraus, dass ein Teil der zu mischenden Stoffe, die axial in diese Kammer eingeführt werden, diese Turbulenzzone durchbrachen, an die Kammerwandung, bevor der beaufsichtigte Prozess abgelaufen war, schlugen und sich dort festsetzten. Dadurch entstand durch laufende weitere Gutszufuhr innerhalb kurzer Zeit eine immer stärker werdende Kruste, so dass der Betrieb zur Reinigung der Kammer unterbrochen werden musste.
Als Beispiele für diese Erscheinung sei die Trocknung unter Kristallwasserabspaltung von Eisensulfat oder Eisenchloriden genannt. Ähnlich unbefriedigende Ergebnisse brachten Versuche, bei denen eine Salzlösung in die Kammer eingesprüht wurde mit dem Ziel, durch Verdampfen des Flüssigkeitsanteils den Feststoff auszuscheiden.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass die beim Betrieb der vorgenannten Mischkammer auftretenden Schwierigkeiten vollständig ausgeschaltet werden können, wenn dieselbe in solcher Weise ausgestaltet und derart betrieben wird, dass das Trägergas mit hoher kinetischer Energie im Bereich der Rotationsachse an einem Ende der Kammer eingeleitet und entlang der Wandung des Rotationsraumes weitergeführt wird, wobei es sich unter Einwirkung der Zentrifugalkraft radial expandiert, während der Expansion einer sich öffnenden Schraubenlinie folgt und anschliessend in Richtung des Kammeraustrittes umgelenkt und in einer schraubenlinienartigen koaxialen Bewegung entlang der Wandung dem Austritt zugeführt wird.
In den Zeichnungen sind für die Durchführung des Verfahrens geeignete Mischkammern dargestellt, an diesen soll das neue Verfahren näher erläutert werden. Es stellen dar : Fig. 1 eine Misch-Reaktionskammer im senkrechten Achsschnitt mit eingezeichnetem Strömungsverlauf, Fig. 2 einen senkrechten Achsschnitt durch die gleiche Kammer unter weiterer Darstellung des Strömungsverlaufes, Fig. 3a und 3b einen Achsschnitt durch eine Misch-Reaktionskammer mit einer zugehörigen, unterhalb derselben angeordneten Brennkammer sowie einen waagrechten Schnitt entsprechend der Schnittlinie A-B, Fig. 4a und 4b einen senkrechten Achsschnitt durch eine Vorrichtung, bei der die Brennkammer und die Misch-Reaktionskammer einen einheitlichen Bauteil bilden, sowie einen waagrechten Schnitt entsprechend der Schnittlinie A-B, Fig.
5 entspricht der Darstellung der Fig. 1 und 2 und dient zur Veranschaulichung einiger für den Bau der Kammer wichtigen konstruktiven Grössen.
In die rotationssymmetrische Kammer, die in Fig. 1 dargestellt ist, wird das Trägergas mit hoher
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Erzeugung des Dralls anzuordnen sind ; hiefir können z. B. Leitschaufeln und Eintrittsspiralen dienen.
Nach Passieren der Eintrittsöffnung wird das Gas plötzlich unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft entspannt und strömt radial in den mit --3-- in Fig. 1 bezeichneten Bereich in Form einer sich öffnender Spirale. Nach einer bestimmten Wegstrecke wird es in Richtung der Rotationsachse umgelenkt und strömt spiralig koaxial zur Kammerachse in Richtung auf den Kammeraustritt-7-- durch einen sich kegelförmig verengenden Bereich der Kammer.
Der Weiterverlauf der Gasströmung in Spiralen ist in Fig. 2 angedeutet.
Durch die erwähnte, unter der Wirkung der Zentrifugalkraft hervorgerufene, radiale Expansion des Trägergases entsteht im Bereich der Rotationsachse-4- (Fig. 4) eine Zone verminderten Druckes, wie sie sich bei der Strömung um das Laufrad eines Radialgebläses oder einer Kreiselpumpe ergibt.
Diese Zone verminderten Druckes bewirkt nun eine teilweise Umkehr des Gasstromes vor Verlassen der Kammer und ein Rückströmen im Bereich der Rotationsachse --4-- dem Hauptgasstrom entgegen.
Zwischen dem sich in Wandnähe bewegenden Hauptgasstrom und der Rückströmung bildet sich eine ausgedehnte Zone--5--intensiver Turbulenz aus, in der es zu einer sehr innigen Mischung zwischen Trägergas und den zu behandelnden Stoffen bzw. dem Ablauf einer Reaktion kommt. Das zu behandelnde Gut--6--wird im Bereich der Rotationsachse mit oder entgegen der Hauptströmungsrichtung eingetragen, fällt bei aufrechtstehenden Reaktoren mit unterem Trägergaseintritt, durch die Rückströmung begünstigt, entgegen der Hauptströmungsrichtung nach unten und gelangt bei Feststoffen oder Flüssigkeit je nach Teilchengrösse nach einer bestimmten Wegstrecke in die Turbulenzzone.
Dort vollzieht sich die Vermischung mit dem Trägergas, wobei höchste Stoff-, bzw.
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bei thermischen Prozessen, Wärmeaustauschkoeffizienten erzielt werden und die Behandlung bzw. Reaktion in Bruchteilen von Sekunden abgeschlossen werden kann, bevor das Teilchen mit dem Hauptgasstrom im Bereich--7--ausgetragen wird, ohne Gelegenheit gehabt zu haben, sich an den Kammerwandungen festzusetzen.
Die Fig. 3a, 3b zeigen eine Anordnung mit gleichzeitiger Erzeugung des als Wärmeträger dienenden Trägergase aus flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen. Hiebei ist zur Durchführung der Verbrennung eine Ringkammer --8-- vorgesehen, die sich unterhalb des Reaktors befindet und tangential so befeuert wird, dass der Heissgasstrom vor dem Eintritt in die die Rotation erzeugenden Einrichtungen einen gleichsinnigen Drall bekommt. Bei geeigneter Formgebung der Ringbrennkammer und Abstimmung auf den Reaktoreintrittsquerschnitt kann eine besondere Dralleinrichtung, wie sie durch Leitschaufeln, Spiralen, Raumkrümmer dargestellt ist, ganz entfallen.
Bei der Anordnung nach den Fig. 4a, 4b ist die Brennkammer als Ringkammer konzentrisch zu dem Reaktor angeordnet. Neben den bereits vorstehend genannten Vorteilen ermöglicht diese Anordnung von Reaktor und Brennkammer neben einer geringen Bauhöhe eine gemeinsame Wand - zwischen Brenn-und Reaktionsraum vorzusehen. Für Reaktionen, die im Bereich von über 10000C durchgeführt werden, bringt diese Lösung besonders wärmewirtschaftlichen Nutzen. Besonders vorteilhaft hat sich diese Anordnung aber dadurch erwiesen, dass der Wärmestrom in Richtung Brennkammer, Brennkammer-bzw. Reaktorwand, Reaktorinnenraum erfolgt, also ein gewisser Betrag von Wärmestrahlung von der Reaktorwand auf den Reaktionsraum den Ablauf der Reaktion im Innern überraschend günstig beeinflusst.
Für die Masse der Misch-und Reaktionskammer haben sich gewisse Bereiche als besonders zweckmässig erwiesen. Zum Verständnis der Masse sei auf Fig. 5 hingewiesen :
Der grösste Durchmesser-D-soll vorzugsweise dem 1, 4 bis 3fachen des kleinsten Durchmessers-d-entsprechen. Der kleinste Durchmesser-d-soll im Bereich des Kammeraustritts --7-- liegen ; die wirksame Kammerhöhe--H--soll das 1, 5 bis 3, 2fache des kleinsten Durchmessers-d-betragen, der Eintrittsquerschnitt-q-soll vorzugsweise dem 0, 06 bis 0, 4fachen Kammerquerschnitt entsprechen ; die den Eintrittsquerschnitt umschliessende Kammerwandung soll mit der Rotationsachse einen Winkel CI) bilden, der zwischen 60 und 120 liegt.
Die durch die hohen Turbulenzen erzielten Stoffaustausch-bzw. Wärmeübergangswerte ermöglichen hohe Leistungen bei kleinen Apparateabmessungen. Gegenüber herkömmlichen Sprühverdampfern z. B. kann das Volumen eines Reaktors gemäss der Erfindung auf bis etwa ein Hundertstel bei gleicher Leistung gemindert werden. Da damit auch die Oberfläche relativ klein ist, ergeben sich bedeutend geringere Wärmeverluste. Kleine Apparateabmessungen sparen ausserdem Baukosten und ermöglichen den Einsatz von Werkstoffen, die Reaktionen bei Temperaturen erlauben, die mit bisherigen Apparaten in technischem Massstab unmöglich waren.
Bei der Behandlung von Flüssigkeiten, die über eine Düse in den Reaktor eingesprüht werden, hat sich gezeigt, dass die Tröpfchen in der Zone der hohen Turbulenz zu immer kleiner werdenden Schlieren zerrissen werden, um beim Einsetzen der eigentlichen Reaktion eine Tropfengrösse erreicht zu haben, die weit unter der mit herkömmlichen Düsen erzielbaren liegt. Eine sehr grosse Oberfläche je Stoffeinheit und damit eine unerwartet grosse Reaktionsgeschwindigkeit ist die Folge. Während bei herkömmlichen Sprühverfahren vorwiegend ein Gut von hohlkugeliger oder halbmondförmiger Beschaffenheit anfällt, weist das in vorbeschriebenem Reaktor erzielte eine sehr feinvernetzte, oberflächenaktive Struktur auf.
Dadurch lassen sich bei der dem Reaktionsprozess nachgeschalteten Gas-und Feststofftrennung unerwartet hohe Abscheideleistungen mit herkömmlichen Zyklonen erzielen.
Naturgemäss liegt das Anwendungsgebiet der Erfindung hauptsächlich im Bereich thermischer Prozesse. Versuche haben gezeigt, dass die einem Gutsteilchen mitgeteilte Temperatur mit der Gasaustrittstemperatur des Reaktors weitgehend übereinstimmt. Dies ermöglicht das Einstellen und die Kontrolle einer bestimmten Reaktionstemperatur mit einfachen Mitteln. Besondere Bedeutung kommt dieser Erscheinung dann zu, wenn es sich um die Durchführung einer Reaktion handelt, deren Minimal-und Maximaltemperatur eng begrenzt ist. Örtliche Überhitzung konnte zufolge der grossen Turbulenz nicht beobachtet werden.
Als Beispiele für thermische Prozesse, die mit grossem Erfolg in vorliegendem Reaktor durchgeführt wurden, zählen unter anderem : die Trocknung unter Kristallwasserabspaltung von Eisensulfathydraten, wobei es sich um einen Vorgang handelt, bei dem das Gut eine Schmelzzone durchläuft ; die Verdampfung von eisensulfathaltiger Schwefelsäurelösung zur Abscheidung von trockenem Eisensulfat, ein Vorgang, der die gleichzeitige Einhaltung von Minimal-und
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Maximaltemperatur in engem Bereich erfordert ; die Verdampfung von metallchloridhaltigen Säurelösungen und die gleichzeitige thermische Umsetzung der Metallchloride zu Metalloxyden und Chlorwasserstoffgas ; die thermische Spaltung von kristallinem Eisensulfat zu Eisenoxyden, Schwefeloxyden und Wasserdampf.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder feinkörniger fester Stoffe mit einem Trägergas sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten eines oder mehrerer solcher Stoffe und zur Änderung des Aggregatzustandes eines oder mehrerer Stoffe unter Teilnahme des Trägergases, wobei das Trägergas mit Drall axial und der bzw. die zu mischenden Stoffe vorzugsweise koaxial in eine rotationssymmetrische Misch-bzw. Reaktionskammer eingeleitet werden und in dieser miteinander in einer durch geeignete Führung des Gases entstehenden Zone hoher Turbulenz vermischt bzw. zur Reaktion gebracht werden, wobei der Austritt der Gase bzw.
Stoffe an dem, dem Eintritt entgegengesetzten Ende der Kammer axial oder tangential mit Bezug auf die Umfangsfläche der
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im Bereich der Rotationsachse an einem Ende der Kammer eingeleitet und entlang der Wandung des Rotationsraumes weitergeführt wird, wobei es unter Einwirkung der Zentrifugalkraft radial expandiert, während der Expansion einer sich öffnenden Schraubenlinie folgt und anschliessend in Richtung des Kammeraustritts umgelenkt und in einer schraubenlinienartigen koaxialen Bewegung entlang der Wandung dem Austritt zugeführt wird.
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