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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Wirbelschicht und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung desselben.
Die Wirbelschichttechnik hat ihren Eingang in die verschiedensten Produktionszweige gefun- den. Es werden mit ihr rein chemische bzw. physikalische und auch physikalisch-chemische Verfah- ren durchgeführt. Die Vorteile dieser Technik sind vielfältig. So ist meist der Reaktionsraum ein- fach auszubilden, weiters kann, was sowohl für physikalische als auch für chemische Prozesse von
Vorteil ist, ein besonders guter Kontakt zwischen den gasförmigen Medien und den Feststoffen er- reicht werden.
Da bei der Wirbelschichttechnik die gasförmigen Medien zwei Funktionen zu erfüllen haben, u. zw. einerseits die Feststoffe zu fluidizieren und anderseits als Reaktionspartner für diese zu fungieren, liegt in der Regel ein Überschuss des Gases vor. Man kann nun, um beispielsweise bei chemischen Reaktionen einen zu grossen Überschuss des Reaktionsgases zu vermeiden, den Gasstrom aus einem an der Reaktion nicht beteiligten Trägergas und dem reagierenden Gas zusammenset- zen. Diese Vorgangsweise wird immer dann von Vorteil sein. wenn der Gasstrom nicht im Kreis- lauf geführt werden kann. Bevor ein derartiger Gasstrom an die Umwelt abgegeben werden darf, muss dieser entstaubt und gegebenenfalls von dem reagierenden Gas befreit werden.
Je nach Gasgeschwindigkeit und Zusammensetzung der festen Teilchen, wird von verschiedenen
Wirbelschichten gesprochen. So ist die homogene Wirbelschicht bekannt, bei welcher die festen Teil- chen dieselbe Form und gleiches Gewicht aufweisen, wobei der Gasstrom eine Geschwindigkeit hat, die grösser ist als die Wirbelpunktgeschwindigkeit. Weisen die Teilchen verschiedenes Gewicht bzw. verschiedene Form auf, so bildet sich eine klassierende Wirbelschicht. Je nach dem, in welcher
Form der Gasstrom die Wirbelschicht durcheilt, wird von einer brodelnden, stossenden, durchbroche- nen Schichte oder auch von einer Sprudelschichte gesprochen. Ab einer bestimmten Strömungsge- schwindigkeit, die Austragsgeschwindigkeit genannt wird, werden die Feststoffe aus der Schicht ausgetragen.
All diesen verschiedenen Wirbelschichten, die bei den unterschiedlichsten Verfahren verwen- det werden, ist es gemeinsam, dass die festen Teilchen in jeder einzelnen Phase fluidiziert vorlie- gen. Den grossen Vorteilen der Wirbelschichtverfahren, z. B. der einfachen Temperatursteuerung u. dgl. steht es nachteilig gegenüber, dass ein relativ hoher Gasverbrauch bedingt ist. Dieser Gasverbrauch ist auch um so höher, je schwerer die reagierenden Teilchen sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat sich zur Aufgabe gestellt, die obenangeführten Nach- teile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, bei geringem Gasverbrauch auch schwere Teilchen, z. B. Kernbrennstoffteilchen in einer Wirbelschicht zu fluidizieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer Wirbelschicht, insbesondere zur Beschichtung von Kernbrennstoffteilchen mit einer aus der Gasphase abzuscheidenden Schicht, wobei ein
Gasstrom durch einen Reaktionsaum, in dem teilchenförmige Feststoffe angeordnet sind, annähernd senkrecht nach oben geleitet wird und die Strömungsgeschwindigkeit desselben zumindest bis zur
Wirbelpunktgeschwindigkeit erhöht wird, besteht im wesentlichen darin, dass die Geschwindigkeit des Gasstroms periodisch unter die Wirbelpunktgeschwindigkeit abgesenkt wird. Durch diese Vorgangsweise wird eine Wirbelschicht immer wieder aufgebaut, wobei der erforderliche Kontakt zwi- schen Gas und teilchenförmigem Feststoff hinreichend gegeben ist. Das durchaus Überraschende an diesem Verfahren ist, dass eine Wirbelschicht dadurch optimiert wird, dass sie periodisch ab- und wiederaufgebaut wird.
Eine besonders hohe Gasersparnis ergibt sich dann, wenn der Gasstrom periodisch vollständig unterbrochen wird. Dadurch bricht die Wirbelschicht zwar wesentlich schneller in sich zusam- men, jedoch kann ein Kontakt zwischen den teilchenförmigen Feststoffen und dem Gasstrom erreicht werden.
Wird die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases periodisch verändert, so kann neben dem erwünschten Zusammenbruch des Wirbelbetts auch die Schadgaskonzentration in dem abzuführenden Gasstrom hinreichend niedrig gehalten werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass unmittelbar nach dem Unterschreiten der Wirbelpunktgeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Gasstromes wieder über diese erhöht wird. Durch diese Vorgangsweise wird ein optimaler Kontakt zwischen teilchenförmigen Feststoffen und Gas erreicht.
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Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Änderung der
Gasgeschwindigkeit stossförmig, wodurch die Zeiten, zu welchen das Wirbelbett zusammengebrochen ist, auf ein Minimum gehalten werden können.
Wird das Gas aus dem Reaktionsraum abgesaugt, so kann eine weitere Gasersparnis er- 'reicht werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem rohrförmigen
Reaktionsraum, einer Gaszu- und Ableitung, wobei die Gaszuleitung über ein Ventil und eine Düsen- platte in den Reaktionsraum erfolgt, besteht im wesentlichen darin, dass die Düsenplatte durch einen im Reaktionsraum angeordneten Ventilteller abdeckbar ist. Dadurch wird verhindert, dass ) die Düsenplatte verstopft werden kann, wobei gleichzeitig die Öffnungen der Düsenplatte so gross gehalten werden können, dass kein zu grosser Strömungswiderstand bedingt ist. Vorteilhafterweise ist der Ventilteller durch die Schwerkraft betätigbar, so dass keine zusätzlichen Einrichtungen z. B. zum Schliessen erforderlich sind.
Ist der Ventilteller durch den Gasstrom betätigbar, so muss auch für das Öffnen keine eigene Betätigungsvorrichtung vorgesehen sein, da es lediglich erforderlich ist einen Gasstrom zuzuführen bzw. die Zufuhr zu unterbrechen. Eine derartige Unterbrechung kann durch ein vorgeschaltetes
Ventil z. B. Elektroventil od. dgl. erreicht werden. Um ein Aufbauen von Feststoffen aus dem Ventil- teller zu vermeiden, weist dieser einen in das Innere des Reaktionsraumes weisenden Kegel auf.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Beispiele und der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung ist eine Wirbelschichtanlage schematisch dargestellt. Das Reaktionsrohr - weist eine Gaszuleitung-2-und eine Gasableitung --3-- auf. In die Gaszuleitung - münden zwei weitere Rohre --4 und 5-- ein, die für die Zufuhr des Reaktionsgases bzw.
Trägergases dienen. In beiden Leitungen sind elektrisch betätigbare Ventile --6 und 7-- vorge- sehen. Das Gasgemisch gelangt über die Düsenplatte-8-, deren Öffnungen durch einen Ventilteller - abgedeckt werden, welcher einen in den Reaktionsraum weisenden Kegel --10-- aufweist und an seinem entgegengesetzten Ende ein Widerlager --11-- besitzt, das eine grössere Masse aufweist, damit das Ventil leicht durch Schwerkraft geschlossen werden kann. Strömt Gas ein, so wird der
Ventilteller von den Öffnungen weggehoben bis das Widerlager --11-- gegen die Düsenplatte an- schlägt.
Wird die Gaszufuhr unterbrochen, so senkt sich der Ventilteller selbsttätig wieder ab und verdeckt die Öffnungen --12-- der Düsenplatte --B--. Das Reaktionsrohr weist an seinem obe- ren Ende einen Flansch --13-- auf, an dem ein Deckel --14-- lösbar befestigt ist. Der Abgasleitung
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Durcheilen das Gas an die Umwelt abgegeben werden kann.
Zum Betrieb der Anlage wird wie folgt vorgegangen : Der Deckel --14-- wird von der Anlage gelöst, worauf die zu behandelnde Charge am Feststoffteilchen in das Reaktionsrohr eingebracht wird. Sodann wird der Deckel wieder verschraubt. Die Ventile --6 und 7-- werden mit den entsprechenden Gasbehältern verbunden, wonach die Ventile wunschgemäss geöffnet oder geschlossen werden können. Das Reaktionsrohr ist von einem nicht dargestellten Heiz- und Kühlsystem umgeben, mit dem eine bestimmte Temperatur im Reaktionsraum eingehalten werden kann. Nach Beendigung der Reaktion wird der Deckel wieder abgenommen und die Charge dem Reaktionsrohr entnommen.
Die Werte der im folgenden angeführten Beispiele sind in der Tabelle zusammengestellt und wurden in der beschriebenen Anlage durchgeführt.
Beispiel 1 : In den Reaktionsraum wurden 20 g Kohlenstoffteilchen eingebracht, die im Innern einen porösen Kohlenstoffkern aufwiesen und von einer Pyrokohlenstoffschichte umgeben waren, wie sie in der Kerntechnik zur Anwendung gelangen. Das Schüttvolumen betrug zirka 25 cm3, die Teilchen waren kugelförmig und hatten einen mittleren Durchmesser von 0,9 mm und eine Dichte von 1, 4 g/cm3. Im Reaktionsraum herrschte eine Temperatur von 358 C und ein Druck von 1 bar.
Die kontinuierliche Gaszufuhr betrug 4, 1 l/min, wobei eine Wirbelschichthöhe von 22 cm erreicht wurde. Die maximale Gasgeschwindigkeit wurde auf Grund des den Reaktionsraum verlassenden Gases ermittelt und betrug 0,40 m/s und war somit dreimal höher als die Wirbelpunktgeschwindigkeit.
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Beispiel 2 : Unter Einhaltung der in Beispiel 1 angegebenen Bedingungen unter Verwendung der entsprechenden Teilchen wurde die Gaszufuhr 104mal/min unterbunden und rasch wiederaufgebaut, so dass eine minimale Gasgeschwindigkeit von 0 und eine maximale Gasgeschwindigkeit von 0, 55 m/s gegeben war.'Vergleicht man den Gasverbrauch, so kann man feststellen, dass bei der alternierenden Zufuhr desselben zirka um 25% weniger Gas verbraucht wird.
Beispiel 3 : In der beschriebenen Apparatur wurden 66 g eines Kernbrennstoffes vorgelegt, der einen Thoriumoxydkern und eine Pyrokohlenstoffschichte aufwies. Das Schüttvolumen betrug zirka 25 cm3. Der mittlere Durchmesser der kugelförmigen Teilchen betrug 0, 7 mm und die Dichte lag bei 4, 2/cm3. In der Apparatur herrschte eine Temperatur von 860 C, ein Druck von 1 bar bei einer kontinuierlichen Argon-Zufuhr von 2, 1 1 fmin und einer maximalen Gasgeschwindigkeit von 0, 60 m/s wurde eine Wirbelschichthöhe von 28 cm erreicht.
Beispiel 4 : Unter Einhaltung der in Beispiel 3 angegebenen Bedingungen wurden 1, 3 1 Argon/ min alternierend zugeführt, wobei 104 Öffnungs- und Schliessvorgänge des Elektroventils pro Minute durchgeführt wurden. Die maximale Gasgeschwindigkeit betrug 0, 5 m/s und war somit zirka das Doppelte der Wirbelpunktgeschwindigkeit. Die maximale Schichthöhe der Wirbelschicht betrug 28 cm.
Wie man einem Vergleich der Beispiele 3 und 4 entnehmen kann, ist der Gasverbrauch um zirka 30% in Beispiel 4 geringer.
Beispiel 5 : 20 g eines Molekularsiebs 4 A Art. 5708 der Firma Merck, das ein Schüttvolumen von 25 cm3 aufwies, dessen Teilchen annähernd kugelförmig waren, hatten einen Durchmesser von 2, 0 mm. Bei einer kontinuierlichen Zufuhr von 37, 7 1 Argon/min und 0, 1 1 Nickelcarbonyl/min betrug unter Einhaltung einer Wirbelschichthöhe von 22 cm die maximale Gasgeschwindigkeit 1, 02 m/s. Die Wirbelbettemperatur betrug 2000C. Während 30 min wurden 12, 1 g Nickel abge- scheden.
Beispiel 6 : Die Versuchsbedingungen wurden entsprechend Beispiel 5 eingehalten mit Ausnahme, dass der Argon-Gasstrom geteilt war und 6 l/min kontinuierlich und 5, 5 1 gepulst und 0, 1 1 Nickelcarbonyl/min gepulst eingegeben wurden. Die Pulsfrequenz betrug 106 Änderungen/min. Der Druck betrug 0, 76 bar und es wurden während 30 min 12, 5 g Nickel abgeschieden. Die maximale Wirbelschichthöhe war 22 cm.
Beispiel 7 : 15 g poröser, kugeliger Kohlenstoffteilchen, die ein Schüttvolumen von 42 cm3 aufwiesen, wurden mit einem kontinuierlichen Argonstrom von 9, 4 l/min und Nickelcarbonylstrom von 0, 1 l/min bei 190 C und einem Druck von 1 bar fluidisiert. Die Wirbelschichthöhe betrug 22 cm, die maximale Gasgeschwindigkeit war 0, 26 m/s und betrug zirka das Vierfache der Wirbelpunktgeschwindigkeit. In 30 min wurden 16, 2 g Nickel abgeschieden.
Beispiel 8 : Entsprechend Beispiel 7 wurde die Abscheidung des Nickels durchgeführt, wobei sowohl die Argonzufuhr von 3, 5 l/min als auch die Nickelcarbonylzufuhr von 0, 1 l/min mit einer Pulsfrequenz von 120 Änderungen/min, durchgeführt wurden. Die maximale Gasgeschwindigkeit betrug 0, 3 m/s. Während 30 min wurden 14, 1 g Nickel abgeschieden. Die maximale Wirbelschichthöhe betrug 22 cm.
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Versuch <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 7 <SEP> 8
<tb> Chargenmaterial <SEP> P <SEP> 306 <SEP> P <SEP> 306 <SEP> E <SEP> 0975 <SEP> E <SEP> 0975 <SEP> M <SEP> M <SEP> LB <SEP> LB
<tb> Chargengewicht <SEP> in <SEP> g <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP> 20 <SEP> 66 <SEP> 66 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 15 <SEP> 15
<tb> Argon <SEP> kontinuierlich <SEP> l/min <SEP> 4, <SEP> 1-2, <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 37, <SEP> 7 <SEP> 6, <SEP> 0 <SEP> 9, <SEP> 4 <SEP> 0
<tb> Argon <SEP> gepulst <SEP> 1/min <SEP> 2, <SEP> 9--1, <SEP> 3 <SEP> 0 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> 3, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Ni-Carbonyl <SEP> kontinuierlich
<tb> l/min----0.
<SEP> 1-0, <SEP> 1 <SEP>
<tb> Ni-Carbonyl <SEP> gepulst <SEP> l/min------0, <SEP> 1--0, <SEP> 1 <SEP>
<tb> Pulsfrequenz <SEP> (Änderungen/min) <SEP> 0 <SEP> 104 <SEP> 0 <SEP> 104 <SEP> 0 <SEP> L06 <SEP> 0 <SEP> 120
<tb> Wirbelpunktgeschwindigkeit
<tb> m/s <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 0, <SEP> 23 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP>
<tb> max. <SEP> Gasgeschwindigkeit <SEP> m/s <SEP> 0, <SEP> 40 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 0, <SEP> 60 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 02 <SEP> 0, <SEP> 81 <SEP> 0, <SEP> 26 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP>
<tb> min.
<SEP> Gasgeschwindigkeit <SEP> m/s-0-0-0, <SEP> 22-0 <SEP>
<tb> Druck <SEP> in <SEP> bar <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 76 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP>
<tb> Wirbelbettemperatur <SEP> C <SEP> 358 <SEP> 358 <SEP> 860 <SEP> 860 <SEP> 200 <SEP> 98 <SEP> 190 <SEP> 195
<tb> Versuchsdauer <SEP> in <SEP> min----30 <SEP> 30 <SEP> 30 <SEP> 30
<tb> Ni-Abscheidung <SEP> je <SEP> Charge-----12, <SEP> 1 <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP> 16, <SEP> 2 <SEP> 14, <SEP> 1 <SEP>
<tb> Abscheidung <SEP> je <SEP> 100 <SEP> 1 <SEP> Argon <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 1,1 <SEP> 3,6 <SEP> 5,7 <SEP> 13,4
<tb> Wirbelschichthöhe <SEP> cm <SEP> 22 <SEP> 22 <SEP> 28 <SEP> 28 <SEP> 22 <SEP> 22 <SEP> 22 <SEP> 22
<tb>
Wie man dem Vergleich der Beispiele 1 und 2 sowie 3 und 4 entnehmen kann,
ist bei einer alternierenden Gaszufuhr eine alternierende Fluidisierung der Feststoffe bis zur gleichen Wirbelschichthöhe, wie bei kontinuierlicher Zufuhr möglich, wobei ein wesentlich geringerer Gasverbrauch, u. zw. des Trägergases gegeben ist. Die Bedingungen in den Beispielen 3 und 4 wurden so gewählt, wie sie zur Beschichtung mit Pyrokohlenstoff in der Kerntechnik üblich sind. Selbst bei diesen sehr schweren Teilchen kann eine beträchtliche Ersparnis am Trägergas erreicht werden.
Diese Gasersparnis ist nicht nur als solche von Interesse, sondern das Gas muss einer extremen Reinigung unterworfen werden, die bei geringeren Gasmengen mit einem erheblich geringeren Aufwand durchgeführt werden kann.
In den Beispielen 5 bis 8 ist die Beschichtung von Teilchen mit einer Nickelschicht beschrieben, wobei die beschichteten Teilchen sich nicht unterschieden, gleichgültig ob kontinuierlich oder diskontinuierlich gearbeitet wurde. Die Änderungen der Gasgeschwindigkeit in dem Beispiel 6 wurden so durchgeführt, dass unmittelbar nach dem Unterschreiten der Wirbelpunktgeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Gasstromes wieder über diese erhöht wurde. Gleichzeitig wurde das Gas aus dem Reaktionsraum abgesaugt. Bei gleicher Wirbelschichthöhe und bei gleich gutem Ergebnis in der Beschichtung war bei der kontinuierlichen Vorgangsweise ein Verbrauch von 37,8 l/min, wohingegen bei der alternierenden Zufuhr lediglich ein Verbrauch von 11, 6 l/min zu registrieren war.
Bei gleicher Versuchsdauer wurde annähernd die gleiche Menge Nickel abgeschieden. Bei der kontinuierlichen Methode wurden pro 100 1 Argon, das als Trägergas verwendet wurde, lediglich 1, 1 g Nickel abgeschieden, wohingegen bei der gepulsten Zufuhr des Gases pro 100 1 3,6 g Nickel zur Abscheidung gebracht werden konnten.
Bei den Beispielen 7 und 8 steht der kontinuierliche Gasverbrauch von 9,5 1 einem pulsieren-
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den Gasverbrauch von 3, 6 1 gegenüber, wobei die Änderung der Gasgeschwindigkeit stossförmig erfolgt.
Die Nickelabscheidung bei der stossförmigen Gaszufuhr ist mit 14, 1 g geringfügig niedriger als bei der kontinuierlichen Gaszufuhr mit 16,2 g. Ein signifikanter Unterschied besteht allerdings wieder, wenn man errechnet, wieviel g Nickel pro 100 1 Gas abgeschieden wird. Diese Zahlen sind für die kontinuierliche Methode 5, 7 g, hingegen bei der gepulsten Zufuhr des Gases 13, 4 g. Es ist somit mehr als die doppelte Menge an Nickel abgeschieden worden bei der gleichen Gasmen-
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Den obenangeführten Versuchen kann somit entnommen werden, dass überraschenderweise eine alternierend zusammenbrechende und wiederaufgebaute Wirbelschichte gleiche Ergebnisse liefern kann wie eine Wirbelschicht, bei welcher die Gaszufuhr kontinuierlich erfolgt, wobei eine wesentliche Gasersparnis und daher geringere Umweltbelastung erreicht werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Betrieb einer Wirbelschicht, insbesondere zur Beschichtung von Kernbrennstoffteilchen, mit einer aus der Gasphase abzuscheidenden Schicht, wobei ein Gasstrom durch einen Reaktionsraum, in dem teilchenförmige Feststoffe angeordnet sind annähernd senkrecht nach oben geleitet wird und die Strömungsgeschwindigkeit desselben zumindest bis zur Wirbelpunktgeschwindigkeit erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Gasstroms periodisch unter die Wirbelpunktgeschwindigkeit gesenkt wird.