Verfahren zur Behandlung von schüttfähigen festen Stoffen mit Gasen
Gegenstand des vorliegenden Patentes ist ein Verfahren zur Behandlung von schüttfähigen, z. B. stückigen, körnigen oder pulverförmigen, Stoffen mit Gasen in einer Gegenstrom-Wanderschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderschicht auf pneumatischem Wege mit Hilfe eines gelenkten Teilstromes des Gases im Behandlungsraum umgewälzt wird.
Die Mehrzahl der Reaktionen zwischen gasförmi- gen Stoffen und Festkörpern im technischen Massstab werden an ruhender Feststoffschicht ausgeführt. Solche Verfahren sind zwar in apparativer Hinsicht sehr einfach, zeigen aber Mängel besonders in bezug auf die Raum-Zeit-Ausbeute und die Gleichmässigkeit des Prozesses. Besonders wenn der Festkörper selbst Reaktionsprodukt ist, ist der Reaktionsablauf von der jeweiligen Lage der Partikel abhängig, so dal3 beachtliche Unterschiede zwischen am Gasein-und Austritt gelegenen Körnern, und falls durch die Wandung Wärmemengen aufzunehmen oder abzugeben sind, auch zwischen Wand und Schichtmitte auftreten.
Wegen dieser Nachteile werden mehr und mehr Reaktionen an festen Substanzen in bewegten Schichten ausgeführt, wobei besonders die Verfahren technische Bedeutung erlangt haben, bei denen die Festgutbewegung auf pneumatischem Wege erreicht wird.
Hierzu gehört das Wirbelschichtverfahren (Vergasung von Kohle, F. Winkler DRP Nr. 437970).
Die Wirbelschichtverfahren zeichnen sich besonders durch günstige Wärmeübergangsverhältnisse zwischen dem als Wärmeträger dienenden gasförmigen Stoff und dem Festkörper aus, und eignen sich daher vorzugsweise für Gasreaktionen an feinkörnigen Katalysatoren mit gleichmässiger Korngrösse. Ist dagegen die Korngrösse uneinheitlich, so tritt in der Wirbelschicht eine Entmischung auf. In solchen Fällen, wo eine derartige Entmischung oder Sichtung des Festkörperbettes unerwünscht ist, arbeitet man mit Wanderschichten. Die Wärmeübergangsverhältnisse sind hierbei nicht mehr gleich günstig, hingegen erreicht man eine genau definierte Festkörperbewegung bei homogener Verteilung. Die vorliegende Erfindung betrifft eine besondere Ausführungsform eines kontinuierlich arbeitenden Verfahrens mit einer wandernden Festkörperschicht.
Bei einem der bisher bekannten Wanderschichtverfahren wird die Festkörperschicht ausserhalb des Reaktionsgefässes wieder nach oben in das Reaktionsgefäss zurückgeführt. Die Förderung der Festkörper geschieht hierbei kontinuierlich auf mechanischem Wege mit Hilfe von Elevatoren oder pneumatisch.
Bei letzterem Verfahren weist die pneumatische För- derung neben einer ganzen Reihe von Vorteilen noch einige Nachteile auf, wie die langen und wenigstens zwei rechtwinklige Umlenkungen aufweisenden Transportwege. In den Umlenkungen wird ein beachtlicher Teil der Bewegungsenergie vernichtet, was eine merkliche Erosion der Rohrwandung und beträchtlichen Abrieb am Umwälzungsgut der Festkörperschicht zur Folge haben kann.
Es wurde nun gefunden, dass diese Nachteile praktisch behoben werden können, wenn der Umlauf der Festkörperschicht in das Innere des Reaktionsgefässes verlegt wird, wobei zur pneumatischen Förderung ein gelenkter Teilstrom des Behandlungsgases benutzt wird. Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen erläutert werden.
Dabei bedeuten Fig. 1 das Schema einer ganzen Apparatur, Fig. 2 und 3 spezielle Ausführungsfor- men des Reaktionsgefässes.
Das Reaktionsgefäss 2 (Fig. 1) ist im untern Teil konisch, wobei der Konuswinkel zweckmässig so ge wählt wird, dass z. B. ein Festkörpergranulat bei der Entleerung vollständig abfliesst. In diesem Reaktionsgefäss 2 erfolgt die Aufwärtsbewegung durch ein oder mehrere, vorzugsweise zentral im Reaktionsgefäss 2 angeordnete, Rohre 1. Diese Zentralrohre sind vorzugsweise mit einem Prallblech 4 überdeckt.
Das Reaktionsgefäss wird im Betrieb bis etwa zur Höhe h (Fig. 1) mit dem zu behandelnden Gut gefüllt. Schon während der Füllung aus dem Vorratsgefäss 10 durch das Ventil 13 wird durch den Bodenstutzen im Reaktionsgefäss das Behandlungsgas eingeleitet. Ein Teil des Gasstromes steigt nun durch das zentrale Mittelrohr hoch und nimmt gleichzeitig dauernd aus dem untern Teil des Behandlungsgefässes körniges Material mit, welches sich dann nach Verlassen des obern Endes des Zentralrohres gleichmässig auf die Schüttgutoberfläche verteilt.
Wenn das zu behandelnde Gut eine ungleichmässige Korngrösse aufweist, tritt bei vorliegendem Verfahren keine Entmischung ein, vorausgesetzt, dass auch die feinsten Partikelchen der Wanderschicht vom abziehenden Gas nicht getragen werden. Im obern Konus des Reaktionsgefässes ist an geeigneter Stelle ein Gasabzugsstutzen angebracht, durch den, gegebenenfalls über ein Gasfilter 8 und über Abscheider 9 (für kondensierbare Behandlungsgase), das Gas auf den Umwälzkompressor 7 geführt wird, von wo es wieder in das Reaktionsgefäss zurückge- leitet wird. Nötigenfalls kann das Behandlungsgas durch Wärmeaustauscher 6 aufgeheizt werden. Ebenfalls können aus dem Gefäss 12 dem Gas Flüssig keitsdämpfe zugeführt oder als Nebel oder Aerosole eingeleitet werden.
Die durch das Rohr hochbeförderten Körner, die sich gleichmässig auf der Schüttgutoberfläche verteilen, legen in der Wanderschicht einen im wesentlichen senkrechten Weg zurück, das heisst, diejenigen Körner, die an die Gefässwand zu liegen kommen, bleiben während eines Umlaufes der Wanderschicht in Kontakt mit der Gefässwand.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Korn bei mehreren Durchgängen wiederum an die Wand befördert wird, ist praktisch Null. Die Umwälzung lässt sich in weiten Grenzen regulieren und beträgt im allgemeinen 5 bis 50 Durchgänge pro Stunde.
Die Variationsbreite des erfindungsgemässen Verfahren ist überraschend. Bei feststehenden Abmessungen des Reaktionsgefässes lassen sich allein durch Veränderung der vier Variablen.
1. Durchmesser d des Förderrohres,
2. Abstand a des Förderrohres,
3. Geschwindigkeit v des Umwälzgases,
4. Schütthöhe h, die verschiedensten Festkörper in eine gleichmässige, stetige und dem jeweiligen Bedarf entsprechende Zirkulation versetzen. Das Verfahren lässt in bezug auf Korngrösse, Kornform und spezifisches Gewicht des Behandlungsgutes einen sehr breiten Spielraum. Ein besonderer Vorteil ist es, dass bei Festkörperschich- ten mit ungleichmässiger Korngrösse keine Entmischung eintritt.
Dadurch, dass die einzelnen Feststoffteile bei den verschiedenen Durchgängen in der Wanderschicht nicht an die gleiche Stelle zu liegen kommen, erreicht man, dass bei Verfahren, bei denen das Reaktionsgefäss von aussen beheizt werden muss, eine gleichmässige thermische Behandlung aller Feststoffpartikel gewährleistet wird. Die Wärmeübergangsverhältnisse sind bei dem erfindungsgemässen Verfahren sehr gut --sie liegen etwa in der Mitte zwischen dem Ruhebettverfahren und dem Wirbelschichtverfahren-, so dass in vielen Fällen auf eine Aussenheizung verzichtet werden kann. Die Wärmeübertragung geschieht in diesen Fällen zweckmässigerweise allein mit Hilfe des Umwälzgases, das durch die erwähnten Wärmeaus- tauscher auf die erforderliche Temperatur gebracht wird.
Die Entleerung erfolgt bei stillstehendem Kompressor durch Offnen des Schiebers 14. Man erzielt eine schnelle und restlose Entleerung der Reaktionskammer, wie sie beim Ruhebettverfahren nicht an nähernd und bei Wirbelschichtverfahren nur selten erreicht wird.
Die pneumatische Förderung eines körnigen Festgutes ist wesentlich schonender für das Granulat und das Material der Fördereinrichtung als beim oben genannten bekannten Verfahren, da die Förderstrecke um 20 bis 50"/t verkürzt wird und jegliche Umlenkung in der Rohrleitung wegfällt. Da der Gasstrom im För- derrohr so eingestellt werden kann, dass die geförder- ten Teilchen die obere Rohröffnung nur mit geringer Geschwindigkeit verlassen, gibt es praktisch keinen Abrieb und keinen Metallverschleiss. Die einzige Stelle, die der Abnutzung unterworfen ist, ist das Prallblech 4, welches leicht ausgewechselt werden kann.
Für besonders schonende Behandlung eines Granulates kann das Prallblech durch ein Staurohr 4' (Fig. 2) ersetzt werden, oder es wird dem im Rohr 1 aufsteigenden Gasstrom eine Bremsströmung durchs Rohr 11 gemäss Fig. 3 entgegengeschickt.
Das vorliegende Verfahren kann für die verschiedensten Prozesse, an denen schüttfähige feste Stoffe und Gase oder Dämpfe von Flüssigkeiten beteiligt sind, angewendet werden, so z. B. für Trockenprozesse aller Art, insbesondere von Kunststoffen, bei denen eine schnelle und gleichmässige Trocknung unerlässlich ist.
Beispiel 1
In ein Reaktionsgefäss gemäss Fig. 1 mit zentral angeordnetem Förderrohr von 120 cm Länge und 3 cm Durchmesser, durch das 80 m3/Std. reiner, sauerstofffreier Stickstoff im Kreislauf geführt werden, werden 50 kg eines feuchten Granulates von Polyhexamethylendiammoniumadipat mit durchschnittlich 4 mm Korngrösse gegeben. Durch den das Zentralrohr passierenden Teilgasstrom wird das Granulat lOmal pro Stunde umgewälzt.
Mit Hilfe eines Wärmeaustauschers und eines Spitzenvorwärmers wird der Kreislaufstickstoff so erwärmt, dass er im untern Teil des Reaktionsgefässes mit 120 C eintritt. Das aus dem Granulat herausdampfende Wasser wird mittels Abscheider und Küh- ler kondensiert und fortlaufend dem Kreislaufgas entzogen. Nach 4-5 Stunden ist der Wassergehalt des Granulates von anfangs 2 /o auf weniger als 0,1 /o gesunken.
Beispiel 2
In eine entsprechend Beispiel 1 aufgebaute Apparatur werden 50 kg eines Granulates von Poly-Ecaprolactam gegeben. Das Granulat besitzt eine durchschnittliche Korngrösse von 2 mm und enthält 2-3 ouzo Wasser und 10-11 ouzo monomere Bestandteile. Durch die Apparatur werden 90 m3/Std. reiner, sauerstofffreier Stickstoff mit einer Eintrittstemperatur von 186 geleitet. Die ausgetriebenen flüchtigen Bestandteile, also Wasser und niedermolekulare Produkte, werden über einen Abscheider und Kühler fortlaufend dem Kreislauf entzogen. Nach 8 1/2 Stunden ist der Wassergehalt des Granulates auf weniger als 0,1 /o, der Gehalt an extrahierbaren Niedermolekularen auf etwa 1 O/o gesunken.
Beispiel 3
In einer Apparatur entsprechend Beispiel 1 werden 50 kg eines feuchten, nicht extrahierten Granulates von katalysatorhaltigem Poly-e-caprolactam in einem Strom von 80 M3/Std. reinem, sauerstofffreiem Stickstoff umgewälzt. Die Eintrittstemperatur des Stickstoffes beträgt 186 . Die flüchtigen Produkte, in diesem Falle Wasser und niedermolekulare Anteile, werden fortlaufend dem zirkulierenden Gasstrom entzogen und kondensiert. Nach 12stündiger Behandlung ist das Granulat trocken (Wassergehalt < 0, 05 /o) und enthält nur noch etwa 1 O/o extrahierbare Bestandteile.