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.
Process for the treatment of loose solids with gases
The present patent is a method for the treatment of pourable, z. B. lumpy, granular or powdery substances with gases in a countercurrent moving layer, characterized in that the moving layer is circulated pneumatically with the help of a directed partial flow of the gas in the treatment room.
The majority of reactions between gaseous substances and solids on a technical scale are carried out on a static layer of solids. Although such processes are very simple in terms of apparatus, they show deficiencies, especially with regard to the space-time yield and the uniformity of the process. Particularly when the solid is itself a reaction product, the course of the reaction depends on the respective position of the particles, so that there are considerable differences between the grains located at the gas inlet and outlet and, if the wall absorbs or releases heat, also between the wall and the middle of the layer.
Because of these disadvantages, more and more reactions are carried out on solid substances in moving layers, and processes in which the solid material movement is achieved pneumatically have gained technical importance.
This includes the fluidized bed process (gasification of coal, F. Winkler DRP No. 437970).
The fluidized bed processes are characterized in particular by favorable heat transfer ratios between the gaseous substance serving as a heat carrier and the solid, and are therefore preferably suitable for gas reactions on fine-grain catalysts with a uniform grain size. If, on the other hand, the grain size is not uniform, segregation occurs in the fluidized bed. In those cases where such segregation or sifting of the solid bed is undesirable, moving layers are used. The heat transfer conditions are no longer equally favorable, but a precisely defined solid body movement with homogeneous distribution is achieved. The present invention relates to a particular embodiment of a continuously operating process with a migrating solid layer.
In one of the previously known moving layer processes, the solid layer outside the reaction vessel is returned to the top of the reaction vessel. The solids are conveyed continuously mechanically with the help of elevators or pneumatically.
In the latter method, the pneumatic conveying has a number of advantages, as well as some disadvantages, such as the long transport paths that have at least two right-angled deflections. A considerable part of the kinetic energy is destroyed in the deflections, which can result in noticeable erosion of the pipe wall and considerable abrasion of the material being circulated in the solid layer.
It has now been found that these disadvantages can be eliminated in practice if the circulation of the solid layer is moved into the interior of the reaction vessel, a controlled partial flow of the treatment gas being used for the pneumatic conveyance. The invention will be explained with reference to the drawings.
1 shows the scheme of an entire apparatus, FIGS. 2 and 3 show special embodiments of the reaction vessel.
The reaction vessel 2 (Fig. 1) is conical in the lower part, the cone angle is expediently chosen so that z. B. a solid granulate drains completely when emptied. In this reaction vessel 2, the upward movement takes place through one or more tubes 1, preferably arranged centrally in the reaction vessel 2. These central tubes are preferably covered by a baffle plate 4.
During operation, the reaction vessel is filled with the material to be treated up to about height h (FIG. 1). During the filling from the storage vessel 10 through the valve 13, the treatment gas is introduced into the reaction vessel through the bottom nozzle. Part of the gas flow now rises up through the central pipe and at the same time continuously takes with it granular material from the lower part of the treatment vessel, which is then evenly distributed over the surface of the bulk material after leaving the upper end of the central pipe.
If the material to be treated has a non-uniform grain size, no segregation occurs in the present process, provided that even the finest particles of the migrating layer are not carried by the gas being drawn off. In the upper cone of the reaction vessel, a gas outlet is attached at a suitable point, through which the gas is fed to the circulating compressor 7, if necessary via a gas filter 8 and a separator 9 (for condensable treatment gases), from where it is returned to the reaction vessel becomes. If necessary, the treatment gas can be heated by the heat exchanger 6. Liquid vapors can also be fed to the gas from the vessel 12 or introduced as mist or aerosols.
The grains conveyed up through the pipe, which are evenly distributed on the surface of the bulk material, cover an essentially vertical path in the migrating layer, i.e. those grains that come to rest on the vessel wall remain in contact with the wall during one revolution of the migrating layer Vessel wall.
The probability that a grain will again be pushed against the wall in several passes is practically zero. The circulation can be regulated within wide limits and is generally 5 to 50 passes per hour.
The range of variation in the process according to the invention is surprising. If the dimensions of the reaction vessel are fixed, the four variables.
1. Diameter d of the delivery pipe,
2. Distance a of the delivery pipe,
3. velocity v of the circulating gas,
4. Dumping height h, set the most varied of solids in an even, steady and the respective demand corresponding circulation. With regard to grain size, grain shape and specific weight of the material to be treated, the process leaves a very wide range. It is a particular advantage that solid layers with uneven grain sizes do not separate.
The fact that the individual solid parts do not come to the same place in the different passages in the moving layer ensures that a uniform thermal treatment of all solid particles is ensured in processes in which the reaction vessel has to be heated from the outside. The heat transfer conditions are very good in the process according to the invention - they are roughly in the middle between the resting bed process and the fluidized bed process - so that in many cases external heating can be dispensed with. In these cases, the heat is best transferred with the aid of the circulating gas, which is brought to the required temperature by the heat exchangers mentioned.
Emptying takes place when the compressor is at a standstill by opening the slide 14. A rapid and complete emptying of the reaction chamber is achieved, which is not nearly achieved in the resting bed process and only rarely achieved in the fluidized bed process.
The pneumatic conveying of a granular solid material is much gentler on the granulate and the material of the conveying device than in the known method mentioned above, since the conveying distance is shortened by 20 to 50 "/ t and any deflection in the pipeline is eliminated. The pipe can be adjusted so that the conveyed particles leave the upper pipe opening only at low speed, there is practically no abrasion and no metal wear. The only point that is subject to wear is the baffle plate 4, which can easily be replaced .
For particularly gentle treatment of granules, the baffle plate can be replaced by a pitot tube 4 '(FIG. 2), or a braking flow is sent through the tube 11 according to FIG. 3 against the gas flow rising in the tube 1.
The present method can be used for a wide variety of processes in which loose solids and gases or vapors of liquids are involved, such. B. for drying processes of all kinds, especially of plastics, where fast and even drying is essential.
example 1
In a reaction vessel according to FIG. 1 with a centrally arranged delivery pipe of 120 cm length and 3 cm diameter through which 80 m 3 / hour. pure, oxygen-free nitrogen are circulated, 50 kg of moist granules of polyhexamethylenediammonium adipate with an average particle size of 4 mm are added. The granulate is circulated 10 times per hour through the partial gas flow passing through the central tube.
With the help of a heat exchanger and a tip preheater, the nitrogen in the cycle is heated so that it enters the lower part of the reaction vessel at 120 ° C. The water that evaporates from the granulate is condensed by means of a separator and cooler and continuously withdrawn from the cycle gas. After 4-5 hours the water content of the granulate has dropped from 2 / o at the beginning to less than 0.1 / o.
Example 2
50 kg of poly-ecaprolactam granules are placed in an apparatus constructed in accordance with Example 1. The granulate has an average grain size of 2 mm and contains 2-3 ouzo water and 10-11 ouzo monomeric components. The apparatus produces 90 m3 / hour. pure, oxygen-free nitrogen with an inlet temperature of 186. The expelled volatile components, i.e. water and low molecular weight products, are continuously withdrawn from the cycle via a separator and cooler. After 81/2 hours the water content of the granulate has fallen to less than 0.1 / o and the extractable low molecular weight content has fallen to about 1%.
Example 3
In an apparatus according to Example 1, 50 kg of moist, unextracted granules of catalyst-containing poly-e-caprolactam are added in a flow of 80 m 3 / hour. pure, oxygen-free nitrogen. The inlet temperature of the nitrogen is 186. The volatile products, in this case water and low molecular weight fractions, are continuously withdrawn from the circulating gas stream and condensed. After 12 hours of treatment, the granules are dry (water content <0.05 / o) and only contain about 10 / o extractable components.