Einrichtung zum Stoff- und Wärmeaustausch, insbesondere zur Trocknung, sowie zur Durchführung chemischer Reaktionen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Stoffund Wärmeaustausch zwischen festen oder flüssigen Teilchen aus Gasen, insbesondere zur Trocknung, sowie zur Durchführung chemischer Reaktionen unter Anwendung und Ausnutzung der in einer aus Potential- und Rotationswirbeiströmung zusammengesetzten Drehströmung auftretenden Kräfte.
Bei der Behandlung von festen oder flüssigen Teilchen, die z. B. getrocknet oder einer anderen physikali- schen oder chemischen Reaktion zugeführt werden sollen, besteht bei bekannten Einrichtungen dieser Art die Schwierigkeit, dass die Verweilzeit der einzelnen Teilchen, die für die Reaktion erforderlich ist, nur ungenau oder überhaupt nicht eingestellt werden kann. Ausserdem war es bisher schwierig, eine Reaktion mit aggressiven Teilchen durchzuführen, da bei den herkömmlichen Verfahren die Teilchen gegen die Wandung der Reaktionskammer geschleudert werden und somit zu einer Zerstörung der Wand führen können. Ähnliche Schwierigkeiten bestehen bei leicht zusammenhaftenden oder klebrigen Teilchen, die sich an der Wand ansetzen und somit zu Störungen der erforderlichen Strömungen führen können.
Diese Schwierigkeiten lassen sich mit einer Einrichtung nach der Erfindung unter Anwendung der bekannten Drehströmung vermeiden. Diese Drehsirömung lässt sich in einer rotationssymmetrischen Wirbelkammer erzeugen und besteht im wandnahen Bereich aus einer wendelförmig verlaufenden Potentlaiwirbeiströmung mit einer entsprechenden Axialkomponente. Über einer Stirnseite der Wirbelkammer wird diese wendelförmig verlaufende Potentialwirbelströmung unter Ausbildung einer Wirbelsenke auf spiralförmigen Bahnen zur Achse der Wirbelkammer gelenkt. Von hier aus bildet sich mit gleichem Drehsinn, jedoch entgegengesetzter Axialkomponente unter Ausbildung einer Wirbelquelle oberhalb der Wirbelsenke eine Rotationswirbelströmung aus, die zum anderen Ende der Wirbelkammer hin fortschreitet.
Diese Drehströmung kann durch schrägtangentiale Düsen im Mantel der Wirbelkammer und/oder durch einen Vordrall des axial in Richtung der Fortschreitungsrichtung der Rotationsströmung eingeführten Rohgases erzeugt werden. Durch die Wirkung der Wirbeiquelle und der in der Rotationsströmung nach aussen gerichteten Fliehkräfte werden dabei mit dem Rohgas zugeführte Partikel aus der Rotationsströmung herausgeschleudert und zunächst im Übergangsbereich zwischen der Potential- und der Rotationswirbelströmung in ringförmigen oder strähnenartigen Anreicherungen gesammelt. Schliesslich erfolgt von dort aus eine Abführung der Teilchen mit einem Ast der Potentialwirbelströmung durch einen den Rohgaseinlauf konzentrisch umgeben den Teilchenauslass, der zu einem Bunker oder einer Transportleitung führen kann.
Im Rahmen der Erfindung werden die in dieser Drehströmung auftretenden Erscheinungen und Kräfte zum Stoff- und/oder Wärmetausch, insbesondere zur Trocknung sowie zur Durchführung chemischer Reaktionen ausgenutzt, wobei Austausch und Reaktionen zwischen festen oder flüssigen Teilchen einerseits und gasförmigen Medien anderseits erfolgen.
Dazu dient erfindungsgemäss eine Einrichtung, die eine rotationssymmetrische Wirbelkammer mit einem in diese hineinragenden koaxialen Einlauf kleineren Durchmessers für die in einem Trägergas dispergierten, zu behandelnden festen oder flüssigen Teilchen aufweist und bei der die Wirbelkammer oberhalb der Einlaufmündung tangentiale und dem Einlauf schräg entgegengerichtete Einlässe für ein zusätzliches Hilfsgas zur Abtrennung der Teilchen vom Trägergas sowie unterhalb der Einlaufmündung mehrerer Reihen tangentialer Einlässe für die gasförmigen Medien zur Erzeugung von freischwebend rotierenden Teilchenringen aufweist.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei gegeneinandergerichteten Drehströmungen an Stellen, an denen die Axialkomponenten zu Null werden - an den sogenannten Stauebenen - eine Konzentrierung der Teilchen in freischwebend rotierenden Ringen erfolgt, wobei die Ringe beliebig lange gehalten werden können. Diese gegeneinandergerichteten Strömungen können z. B. dadurch erzeugt werden, dass die Einlässe für das gasförmige Medium senkrecht zur Wirbelkammerachse angeordnet sind. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung dieser sogenannten Stauebenen besteht darin, dass jeweils zwei Reihen von Einlässen für das gasförmige Medium einander schräg entgegengerichtet angeordnet sind.
Bei verschiedenen Teilehenarten zeigt es sich jedoch, dass diese rotierenden Teilchenringe eine hohe Dichte aufweisen und nicht immer ausreichend mit den zugeführten Reaktionsstoffen in Berührung kommen. Das tritt besonders bei chemischen Reaktionen auf, wie sie z. B. die Verbrennung darstellt. Wenn beispielsweise feuchter oder nasser Kohlenstaub zugeführt wird, so verbrennen zwar die Kohleteilchen im äusseren Bereich der einzelnen Ringe, jedoch die Verbrennung im Innern der Ringe ist recht unvollständig.
Aus diesem Grunde ist nach Mitteln gesucht worden, um die Teilchenringe aufzulockern und in ihrer Ausdehnung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu vergrössern. In Weiterbildung der Erfindung können daher zwischen den einzelnen Reihen der tangentialen Einlässe wulstförmige Rauhigkeiten am Wirbelkammerinnenmantel parallel zur Wirbelkammerachse angeordnet sein.
Diese Rauhigkeiten können im einfachsten Fall aus Schweissraupen bestehen, es können aber auch entsprechend profilierte Leisten aus einem beständigen Werkstoff angebracht werden. Durch diese Rauhigkeiten ergibt sich, dass der Durchmesser der Teilchenringe vergrössert und der Gaswechsel in den Ringen verbessert wird. Es ist also prinzipiell erforderlich, die Grenzschicht unter den Teilchen aufzureissen, so dass der Stoffund Wärmeaustausch verbessert wird. Die Turbulenz der Strömung kann ausserdem dadurch verbessert werden, dass die Rauhigkeiten sehr scharfkantig ausgeführt werden.
Die durch die Turbulenz des Gasstromes auftretenden Geschwindigkeitsschwankungen bedingen dabei eine dauernde Änderung der Relativgeschwindigkeit der festen oder flüssigen Teilchen zu den Gasteilchen im Ring, so dass an jedem einzelnen Teilchen immer wieder neue Gasteilchen vorbeistreichen.
Es ist aber auch möglich, diese Rauhigkeiten durch Flachprofilstücke zu bilden. Dabei können diese Profilstücke in Ausfräsungen des Wirbelkammermantels eingeschoben werden, so dass ein Teil der Profilstücke nach aussen ragt und gleichzeitig als Kühlfahne dient.
Wenn nun in einer derartigen Wirbelkammer mehrere Ringe übereinander erzeugt werden, so muss zur Durchführung der angestrebten Reaktion dafür gesorgt werden, dass genau definierte Verweilzeiten für die Partikel in den einzelnen Ringen eingehalten werden können. Es muss dabei ausserdem möglich sein, die Partikel eines Ringes an den nächstfolgenden abzugeben, und zwar in derart genau definierter Weise, dass der folgende Ring von möglichst wenig Partikeln übersprungen wird und die Partikel somit nicht vorzeitig ausgetragen werden.
Zur Regelung der Verweilzeit und der Kapazität der beschriebenen freischwebend rotierenden Teilchenringe dient eine Regeleinrichtung, bei der in den Zuführungsleitungen jeder Einlassreihe mindestens ein Drosselventil angeordnet und bei der die Betätigungsglieder aller Drosselventile mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung verbunden sind, die ihrerseits nacheinander kurzzeitig wirksame Schliessbefehle gleichzeitig an die Drosselventile jeder Einlassreihe, ausgehend von der Einlassreihe unter dem jeweils untersten Partikelring, fortlaufend von unten nach oben abgibt.
In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer derartigen Wirbelkammer, während in Fig. 2a der Längsschnitt und in Fig. 2b der Querschnitt durch eine Wirbelkammer mit Rauhigkeiten dargestellt ist. Fig. 3 zeigt eine entsprechende Regeleinrichtung zur Steuerung der einzelnen Teilchenringe.
Nach Fig. 1 weist die Wirbelkammer 1, in der die gesamte Reaktion abläuft, ein koaxiales Einlassrohr 2 für die mit einem Trägergas zugeführten zu behandelnden festen oder flüssigen Teilchen auf. Dieses Einlaufrohr 2 ragt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa bis in die Mitte der Wirbelkammer 1. Oberhalb der Mündung 3 des Einlaufrohres 2 besteht die Wirbelkammer aus einem Drehströmungswirbler 4 zum Abscheiden der festen oder flüssigen Teilchen vom Trägergas und unterhalb der Einlaufmündung 3 aus dem Reaktionsbehälter 5, in dem die Partikelringe erzeugt werden. Der obere Abscheider 4 weist nach dem Ausführungsbeispiel sechs tangentiale und der Einlaufmündung 3 schräg entgegengerichtete Hilfsgaseinlässe 6 bis 11 auf.
Durch diese Einströmungen wird im oberen Teil der Wirbelkammer eine Drehströmung aus äusserer Potentialwirbelströmung und innerer Rotationswirbelströmung erzeugt, wodurch die durch das Einlaufrohr 2 zugeführten Teilchen aus der axialen Rotationsströmung heraus und mit der Potentialwirbelströmung in den unteren Teil dem Reaktionsraum 5 der Wirbelkammer 1 geführt werden. Unterhalb der Einlaufmündung 3 befinden sich im Mantel der Wirbelkammer tangentiale Hilfsgaseinlässe 12 bis 23, die im dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Wirbelkammerachse angeordnet sind.
Über den Rohgaseinlauf 2 zugeführte Teilchen werden nach Abscheidung im oberen Teil 4 der Wirbelkammer 1 zunächst der Staupunktströmung zwischen den Düsenreihen 12-13 und 14-15 zugeführt und sam meln sich hier in einem freischwebend rotierenden Ring 24. Wenn nun die Teilchen kontinuierlich durch das Einlaufrohr 2 zugeführt werden, so wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der oberste Teilehenring 24 seine Ladungslvapazität erreicht haben. Daraufhin wird schlagartig ein Teil der Teilchen an den nächsten, darunterliegenden Ring 25 zwischen den Düsenreihen 14-15 und 16-17 weitergegeben werden. Diese Weitergabe in den jeweils nächsten Teilchenring erfolgt immer dann, wenn die Kapazität des vorhergehenden Ringes erschöpft ist.
Wenn schliesslich der unterste Ring 28 - in dem Aus- führungsbeispiei zwischen den Düsenreihen 20-21 und 22-23 - überladen ist, so können die dann abgegebenen Teilchen durch einen Auslass 29 aus der Wirbelkammer abgeführt werden. Eventuell noch in der Strömung verbleibende Teilchen, die in der konzentrisch zum Einlaufrohr 2 aufsteigenden Rotationswirbelströmung mitgeführt werden, werden jedoch im oberen Teil der Wirbelkammer 1 vom Abscheider 4 erfasst und wieder dem Reaktionsraum zugeführt. Dadurch wird bewirkt, dass durch den Auslass 30 nur von Teilchen freie Gase abgeführt werden.
Da jeder der Teilchenringe nur eine bestimmte Kapazität aufweist und überschüssige Teilchen anschlie ssend an den nächsten Ring weitergibt, kann durch Regelung der Beladung bzw. des Rohgaseinsatzes die Verweilzeit genau festgelegt werden. Die Zahl der Düsenringe kann entsprechend der einzustellenden Verweilzeit gewählt werden. Dabei ist es möglich, bei gleicher angenommener Verweilzeit die Teilchen durch geringe Einsatzmengen in weniger Ringen längere Zeit rotieren zu lassen, während es sich bei grösseren Durchsatzmengen als günstiger erweist, mehrere Ringe übereinander mit jeweils kürzeren Verweilzeiten vorzusehen.
Um Anregungsenergie für die Drehströmung einzusparen, kann in der Mündung 3 des Einlaufrohres 2 eine Vordrehdüse 131 angeordnet sein, etwa in Form von Leitschaufeln, die dem eintretenden teilchenbeladenen Rohgas einen Vordrall aufzwingen.
Mit der Einrichtung nach der Erfindung lassen sich zahlreiche Reaktionen durchführen, wie z. B. Stoff- oder Wärmeaustausch zwischen gasförmigen und festen oder flüssigen Teilchen. Dabei spielt besonders die Trocknung von festen oder flüssigen Teilchen eine Rolle.
Durch die Heiz- und Trockengase, die durch die Düsen 12-22 einströmen, werden die noch feuchten Teilchen so lange in den beschriebenen Ringen gehalten, bis die gewünschte Trocknung erreicht ist. Das getrocknete Gut wird anschliessend durch den Auslass 29 abgeführt.
Da die Trockengase anschliessend völlig gereinigt durch den axialen Auslass 30 aus der Wirbelkammer abgeführt werden, ist es möglich, die Gase nach erneutem Wärmeaustausch wieder zu den Düsen 12-23 zurückund somit das Heizgas in konstantem Kreislauf zu führen. Ausserdem ist es möglich, auch schon die Hilfsgaseinlässe 6-11 im Abscheiderteil 4 mit den Heiz- oder Reaktionsgasen zu beaufschlagen, um somit die Wirkung der Kammer noch zu erhöhen. Für die Trocknung sind Teilchen beliebiger geometrischer Abmessungen und unterschiedlichsten spezifischen Gewichtes geeignet.
Gegebenenfalls kann jedoch ein Sichter vorgeschaltet werden, von dem aus dann die klassifizierten Teilchen mehreren parallel geschalteten Trockenkammem zugeführt werden.
Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2a und 2b weist die Wirbelkammer 1 ebenfalls ein koaxiales Einlassrohr 2 für die mit einem Trägergas zugeführten Teilchen auf. Oberhalb der Mündung 3 des Einlaufrohres 2 besteht die Wirbelkammer aus einem Drehströmungswirbler 4 mit den entsprechenden schrägtangentialen Düsen, von denen hier nur die beiden Düsen 6 und 7 gezeichnet sind. In diesem Drehströmungswirbler 4 werden die zugeführten Teilchen vom Trägergas abgeschieden und in den eigentlichen Reaktionsbehälter 5 geführt. Zwischen den einzelnen Düsenreihen bilden sich nunmehr, wie schon beschrieben, die freischwebend rotierenden Teilehenringe aus. Der obere - hier nicht dargestellte - Teilehenring bildet sich zwischen den Hilfsgaseinlässen 31, 32, 33 und 34, 35, 36 aus.
Zwischen diesen beiden Reihen von Hilfsgaseinlässen sind, wie insbesondere aus Fig. 2b ersichtlich ist, wulstförmige Rauhigkeiten 46-51 angebracht. Dabei weisen die Rauhigkeiten 46 und 47 sowie 50 und 51 halbkreisförmiges Profil auf, während die Rauhigkeiten 48 und 49 aus Flachprofilstücken bestehen, die in Einfräsungen der Wirbelkammerwandung eingeschoben sind und deren nach aussen überstehender Teil als Kühfahne dient.
Selbstverständlich wird man normalerweise stets die gleiche Art von Rauhigkeiten verwenden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind nur der Einfachheit halber in einem Schnitt zwei verschiedene Arten von Rauhigkeiten dargestellt. Die Zahl der einzelnen Rauhigkeiten zwischen den jeweiligen Düsenreihen wird man entsprechend den Anforderungen an die jeweils erforderliche Turbulenz wählen.
Die Anwendung der beschriebenen Rauhigkeiten sowie die Erzeugung von rotierenden Teilchenringen ist dabei nicht unbedingt auf Reaktionsbehälter beschränkt, bei denen die zu behandelnden Teilchen über ein axiales Einströmrohr zugeführt werden. Die Teilchen selbst können auch auf andere Weise, etwa durch die Düsen selbst oder über einen tangentialen Einlauf zugeführt werden.
Durch Steuerung der Gaszufuhr zu den einzelnen Düsenreihen werden die Teilchen dann jeweils an den nächstunteren Ring, also zunächst zwischen die Düsenreihen 34-36 und 37-39, anschliessend zwischen die Düsenreihen 37-39 und 40-42 sowie schliesslich zwischen 4042 und 43-45 weitergegeben. Nach Abschaltung der Gaszufuhr für die untersten Düsenreihen 43 bis 45 werden die Teilchen über den Auslass 29 in einen Bunker abgeführt. Das von Teilchen gereinigte Trägermedium verlässt die Wirbelkammer über den Auslass 30.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Steuerung der einzelnen Ringe dargestellt. In den Zuführungsleitungen der einzelnen Einiassreihen sind Drosselventile 84 bis 93 angeordnet, die durch entsprechende Betätigungsglieder 94 bis 103 verstellt werden können. Diese Betätigungsglieder sind mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung 104 verbunden, von der in noch zu beschreibender Weise entsprechende Schliess- oder Drosselbefehle abgegeben werden.
Wenn von dem Fall ausgegangen wird, dass alle Partikeiringe voll beladen sind, so erfolgt mit der beschriebenen Einrichtung eine Regelung der Verweilzeit der einzelnen Ringe auf folgende Weise:
Zunächst erhalten die Betätigungsglieder 102-103 für die Ventile 92-93 unter dem untersten Partikelring 83 einen kurzzeitig wirksamen Schliessbefehl. Dadurch wird die von unten auf den Partikelring wirkende Strömung kurzzeitig unterbrochen, so dass die Stauebene aufgelöst und durch die Wirkung des durch die Einlässe 76 und 77 einströmenden Hilfsgases der Teilchenring 83 nach unten geführt wird und die Partikel dieses Ringes durch den Auslass 29 abgeführt werden. Wenn die Drosselventile 92-93 wieder öffnen, bildet sich wieder eine Stauebene zwischen den Einlassreihen 76-77 und 78-79 aus.
Um nun zu erreichen, dass die Partikel auch des Ringes 82 in den zunächst noch leeren Ring 83 weiterlaufen, wird anschliessend ein kurzzeitig wirksamer Schliessbefehl auf die Betätigungsglieder 100-101 der Drosselventile 90-91 gegeben, so dass die von unten nach oben wirksame Strömungskomponente von der Einlassreihe 76-77 wegfällt und somit die Partikel nach unten geführt werden. Diese Drosselung der Ventile für die Einlassreihe 76-77 darf aber nur so lange wirksam sein, bis die Partikel aus dem Ring 82 die Mündungen der Einlassreihe 76-77 passiert haben, damit bei Erreichen des Ringes 83 die stabilisierenden Strömungen wieder hergestellt sind. Anschliessend können auf gleiche Weise durch Drosselung der Ventile 88-89 für die Einlassreihe 7475 die Partikel des Ringes 81 in den Ring 82 überführt werden.
Schliesslich werden durch Drosselung der Ventile 86-87 auch die Partikel des obersten Ringes 80 in den darunterliegenden Ring überführt, so dass erneut Partikel zur Füllung des obersten Ringes aufgegeben werden können.
Die Steuereinrichtung 104 enthält dabei herkömmliche Glieder zur zeitigen Staffelung der einzelnen Schliessbefehle, wodurch die Verweilzeit in den einzelnen Ringen und somit auch die gesamte Verweilzeit eines Partikels in der Wirbelkammer festgelegt werden kann.
Ausserdem lassen sich durch andere bekannte Steuermittel die Stärke und Zeitdauer der Drosselung der einzelnen Ventile genau einstellen.
Die Einrichtung nach der Erfindung ist nicht auf das in der Zeichnung beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es ist vielmehr möglich, dass jede Einlassreihe für die einzelnen Einlässe zusammengefasst ist und nur ein einziges Drossenventil aufweist, sowie es ebenfalls möglich ist, dass jeder einzelne Einlass mit einem eigenen Ventil versehen ist oder dass Gruppen von Einlässen zu einer Einheit zusammengefasst sind.
Durch die beschriebene Einrichtung lassen sich die Ringe beliebig lange in der Wirbelkammer halten; ausserdem ist es möglich, durch Einstellung der einströmenden Hilfsgasmenge die Kapazität der einzelnen Ringe genau zu steuern, da bei grösseren Hilfsgasmengen und Geschwindigkeiten mehr Partikel in einem Ring gehalten werden können. Ausserdem kann die Zahl der Düsenringe entsprechend der einzustellenden Verweilzeit gewählt werden. Dabei ist es möglich, bei gleicher angenommener Verweilzeit die Teilchen durch geringe Einsatzmengen in weniger Ringen längere Zeit rotieren zu lassen, während es sich bei grösseren Durchsatzmengen als günstiger erweist, mehrere Ringe übereinander mit jeweils kürzeren Verweilzeiten vorzusehen.
Die beschriebene Regelung gilt nicht nur für senkrecht angeordnete Wirbelkammern, sondern sie ist auf gleiche Weise für waagrecht oder schräg angeordnete Wirbelkammern zu verwenden, da auch bei waagrechter Lage die Partikel eindeutig gehalten und geführt werden können. Bei Schliessen oder Drosselung einer Einströmreihe wandern dann die Ringe jeweils nach der Seite der geschlossenen Einströmreihe weiter und können schliesslich allein mit Hilfe der Strömung ohne zusätzliche Wirkung der Schwerkraft aus der Wirbelkammer abgeführt werden.
Durch zusätzliche Messeinrichtungen im Bereich des Partikelauslasses kann festgestellt werden, ob die gewünschte Behandlung vollständig durchgeführt ist. Bei Abweichungen vom Sollzustand können Korrekturen der Folgezeiten für die von der gemeinsamen Steuereinrichtung ausgehenden Schliessbefehle sowie Veränderung der erforderlichen Drosselung oder der Schliess- oder Drosselzeiten erfolgen. In diesem Zusammenhang sei noch einmal daraufhingewiesen, dass es zur Ablösung der Partikelringe nicht erforderlich ist, die Hilfsgaszufuhr ganz zu unterbrechen, sondern es genügt vielmehr eine entsprechende Drosselung der Strömung.
Bei plötzlich aufftretenden Störungen, die ein schnelles Abschalten erfordern, kann durch Sperrung aller Ventile eine sehr schnelle Abführung der Partikel erreicht werden, da im allgemeinen die Hilfsgaszuführen für die Einlässe 6, 7 im oberen Teil der Wirbelkammer nicht mit unterbrochen wird, so dass die gesamte Einrichtung dann als reiner Abscheider arbeitet.
Weitere Anwendungsgebiete für eine Einrichtung nach der Erfindung liegen auf dem Gebiet endothermer und exothermer chemischer Reaktionen, wie z. B. der Verbrennung. Bei Anwendung von chemischen Reaktionen besteht weiterhin ein grosser Vorteil der Erfindung, da die Teilchenrmge nicht die Wandung des Reaktionsraumes berühren, so dass eventuell auftretende hohe Reaktionstemperaturen von der Wandung fern gehalten werden und somit ein weniger hochwertiges Material für den Wirbelkammermantel verwendet werden kann. Weiterhin lassen sich mit der Einrichtung nach der Erfindung selbst Flüssigkeiten, wie z. B. Milch, zu Pulver trocknen, bzw. auf umgekehrtem Weg kann sogar eine intensive und gleichmässige Befeuchtung von Schwebeteilchen erfolgen.
Device for mass and heat exchange, in particular for drying, as well as for carrying out chemical reactions
The invention relates to a device for mass and heat exchange between solid or liquid particles of gases, in particular for drying, as well as for carrying out chemical reactions using and utilizing the forces occurring in a rotary flow composed of potential and rotational vortex flow.
In the treatment of solid or liquid particles, e.g. B. are to be dried or fed to another physical or chemical reaction, there is the difficulty with known devices of this type that the residence time of the individual particles, which is required for the reaction, can only be adjusted imprecisely or not at all. In addition, it has hitherto been difficult to carry out a reaction with aggressive particles, since with the conventional methods the particles are thrown against the wall of the reaction chamber and can thus lead to the wall being destroyed. Similar difficulties exist in the case of easily adhering or sticky particles which attach to the wall and can thus lead to disturbances in the required flows.
These difficulties can be avoided with a device according to the invention using the known rotary flow. This rotary flow can be generated in a rotationally symmetrical vortex chamber and in the area close to the wall consists of a helical potential vortex flow with a corresponding axial component. Over one end face of the vortex chamber, this helical potential vortex flow is directed to the axis of the vortex chamber on spiral paths with the formation of a vortex sink. From here, with the same direction of rotation, but with the opposite axial component, with the formation of a vortex source above the vortex sink, a rotational vortex flow is formed, which progresses to the other end of the vortex chamber.
This rotary flow can be generated by inclined tangential nozzles in the jacket of the vortex chamber and / or by a pre-swirl of the raw gas introduced axially in the direction of the direction of progress of the rotary flow. Due to the effect of the vortex source and the centrifugal forces directed outwards in the rotational flow, particles supplied with the raw gas are thrown out of the rotational flow and initially collected in the transition area between the potential and the rotational vortex flow in ring-shaped or strand-like accumulations. Finally, the particles are discharged from there with a branch of the potential vortex flow through a particle outlet concentrically surrounding the raw gas inlet, which can lead to a bunker or a transport line.
In the context of the invention, the phenomena and forces occurring in this rotary flow for material and / or heat exchange, in particular for drying and for carrying out chemical reactions, are used, with exchange and reactions taking place between solid or liquid particles on the one hand and gaseous media on the other.
According to the invention, a device is used for this purpose, which has a rotationally symmetrical vortex chamber with a coaxial inlet of smaller diameter protruding into it for the solid or liquid particles to be treated, dispersed in a carrier gas, and in which the vortex chamber above the inlet opening tangential and the inlet obliquely directed inlets for a has additional auxiliary gas for separating the particles from the carrier gas as well as several rows of tangential inlets for the gaseous media below the inlet opening for the production of free-floating rotating particle rings.
It has been shown that with oppositely directed rotary currents at points where the axial components become zero - at the so-called storage levels - the particles are concentrated in free-floating rotating rings, whereby the rings can be held for any length of time. These opposing currents can, for. B. be generated in that the inlets for the gaseous medium are arranged perpendicular to the vortex chamber axis. Another possibility for generating these so-called storage levels consists in that two rows of inlets for the gaseous medium are arranged at an angle opposite one another.
In the case of various types of parts, however, it is found that these rotating particle rings have a high density and do not always come into sufficient contact with the reactants supplied. This occurs particularly in chemical reactions such as those that occur. B. represents the combustion. If, for example, moist or wet coal dust is supplied, the coal particles burn in the outer region of the individual rings, but the combustion inside the rings is quite incomplete.
For this reason, means have been sought in order to loosen the particle rings and to enlarge them in their expansion both in the axial and in the radial direction. In a further development of the invention, bead-like roughness can therefore be arranged on the vortex chamber inner jacket parallel to the vortex chamber axis between the individual rows of the tangential inlets.
In the simplest case, this roughness can consist of weld beads, but appropriately profiled strips made of a durable material can also be attached. This roughness results in the diameter of the particle rings being enlarged and the gas exchange in the rings being improved. It is therefore fundamentally necessary to tear open the boundary layer under the particles so that the exchange of substances and heat is improved. The turbulence of the flow can also be improved by making the roughness very sharp.
The fluctuations in speed caused by the turbulence of the gas flow cause a constant change in the relative speed of the solid or liquid particles to the gas particles in the ring, so that new gas particles repeatedly sweep past each individual particle.
But it is also possible to form these roughnesses with flat profile pieces. In this case, these profile pieces can be pushed into cutouts in the vortex chamber jacket, so that some of the profile pieces protrude outward and at the same time serve as a cooling vane.
If several rings are generated one above the other in such a vortex chamber, then in order to carry out the desired reaction it must be ensured that precisely defined residence times for the particles in the individual rings can be observed. It must also be possible to transfer the particles from one ring to the next, specifically in such a precisely defined manner that the following ring is skipped over by as few particles as possible and the particles are therefore not discharged prematurely.
To regulate the dwell time and the capacity of the described free-floating rotating particle rings, a control device is used in which at least one throttle valve is arranged in the supply lines of each inlet row and in which the actuators of all throttle valves are connected to a common control device, which in turn sends briefly effective closing commands one after the other simultaneously Throttle valves of each inlet row, starting from the inlet row under the respective lowest particle ring, emits continuously from bottom to top.
In the drawing, exemplary embodiments according to the invention are shown schematically.
Fig. 1 shows the basic structure of such a vortex chamber, while Fig. 2a shows the longitudinal section and Fig. 2b shows the cross section through a vortex chamber with roughness. 3 shows a corresponding control device for controlling the individual particle rings.
According to FIG. 1, the vortex chamber 1, in which the entire reaction takes place, has a coaxial inlet pipe 2 for the solid or liquid particles to be treated, which are supplied with a carrier gas. In the illustrated embodiment, this inlet pipe 2 protrudes approximately into the middle of the vortex chamber 1. Above the mouth 3 of the inlet pipe 2, the vortex chamber consists of a rotary flow vortex 4 for separating the solid or liquid particles from the carrier gas and below the inlet mouth 3 from the reaction container 5, in which the particle rings are generated. According to the exemplary embodiment, the upper separator 4 has six auxiliary gas inlets 6 to 11 which are tangential and diagonally opposed to the inlet opening 3.
Through these inflows, a rotary flow consisting of an external potential vortex flow and an internal rotational vortex flow is generated in the upper part of the vortex chamber, whereby the particles fed through the inlet pipe 2 are guided out of the axial rotational flow and with the potential vortex flow into the lower part of the reaction space 5 of the vortex chamber 1. Below the inlet opening 3 are tangential auxiliary gas inlets 12 to 23 in the jacket of the swirl chamber, which in the illustrated embodiment are arranged perpendicular to the swirl chamber axis.
Particles fed in via the raw gas inlet 2 are first fed to the stagnation point flow between the rows of nozzles 12-13 and 14-15 after separation in the upper part 4 of the vortex chamber 1 and collect here in a free-floating rotating ring 24. If the particles now pass continuously through the inlet pipe 2, the uppermost part of the marriage ring 24 will have reached its charge capacity at a certain point in time. Thereupon part of the particles will suddenly be passed on to the next, underlying ring 25 between the nozzle rows 14-15 and 16-17. This transfer to the next particle ring always takes place when the capacity of the previous ring is exhausted.
Finally, if the lowest ring 28 - in the embodiment between the rows of nozzles 20-21 and 22-23 - is overloaded, the particles then released can be discharged through an outlet 29 from the vortex chamber. Any particles still remaining in the flow, which are carried along in the rotational eddy flow ascending concentrically to the inlet pipe 2, are, however, captured in the upper part of the eddy chamber 1 by the separator 4 and fed back to the reaction chamber. This has the effect that only gases free of particles are discharged through the outlet 30.
Since each of the particle rings only has a certain capacity and then passes excess particles on to the next ring, the residence time can be precisely determined by regulating the load or the use of raw gas. The number of nozzle rings can be selected according to the dwell time to be set. It is possible, with the same assumed residence time, to allow the particles to rotate for a longer period of time by using small amounts in fewer rings, while with larger throughput amounts it is more advantageous to provide several rings on top of one another, each with shorter residence times.
In order to save excitation energy for the rotary flow, a pre-rotary nozzle 131 can be arranged in the mouth 3 of the inlet pipe 2, for example in the form of guide vanes which force the incoming particle-laden raw gas into a pre-swirl.
With the device according to the invention, numerous reactions can be carried out, such. B. mass or heat exchange between gaseous and solid or liquid particles. The drying of solid or liquid particles plays a particularly important role.
By means of the heating and drying gases flowing in through the nozzles 12-22, the still moist particles are held in the described rings until the desired drying is achieved. The dried material is then discharged through the outlet 29.
Since the dry gases are then completely cleaned and discharged from the swirl chamber through the axial outlet 30, it is possible, after renewed heat exchange, to return the gases to the nozzles 12-23 and thus to lead the heating gas in a constant cycle. It is also possible to apply the heating or reaction gases to the auxiliary gas inlets 6-11 in the separator part 4 in order to further increase the effect of the chamber. Particles of any geometric dimensions and different specific weights are suitable for drying.
If necessary, however, a sifter can be connected upstream from which the classified particles are then fed to several drying chambers connected in parallel.
According to the exemplary embodiment in FIGS. 2a and 2b, the swirl chamber 1 likewise has a coaxial inlet pipe 2 for the particles supplied with a carrier gas. Above the mouth 3 of the inlet pipe 2, the vortex chamber consists of a rotary flow vortex 4 with the corresponding inclined tangential nozzles, of which only the two nozzles 6 and 7 are shown here. In this rotary flow vortex 4, the particles supplied are separated from the carrier gas and fed into the actual reaction container 5. As already described, the free-floating rotating part rings are now formed between the individual rows of nozzles. The upper part ring - not shown here - is formed between the auxiliary gas inlets 31, 32, 33 and 34, 35, 36.
Between these two rows of auxiliary gas inlets, as can be seen in particular from FIG. 2b, bead-like roughnesses 46-51 are applied. The roughnesses 46 and 47 as well as 50 and 51 have a semicircular profile, while the roughnesses 48 and 49 consist of flat profile pieces which are inserted into milled recesses in the swirl chamber wall and whose outwardly protruding part serves as a cooling vane.
Of course, you will normally always use the same type of roughness. In the exemplary embodiment shown, two different types of roughness are shown in a section only for the sake of simplicity. The number of individual roughnesses between the respective rows of nozzles will be chosen according to the requirements for the turbulence required in each case.
The use of the roughness described and the generation of rotating particle rings is not necessarily restricted to reaction vessels in which the particles to be treated are fed in via an axial inflow pipe. The particles themselves can also be fed in in other ways, for example through the nozzles themselves or via a tangential inlet.
By controlling the gas supply to the individual rows of nozzles, the particles are then transferred to the next lower ring, i.e. initially between the rows of nozzles 34-36 and 37-39, then between the rows of nozzles 37-39 and 40-42 and finally between 4042 and 43-45 passed on. After the gas supply for the lowermost rows of nozzles 43 to 45 has been switched off, the particles are discharged via the outlet 29 into a bunker. The carrier medium, which has been cleaned of particles, leaves the vortex chamber via the outlet 30.
In Fig. 3 an embodiment for the control of the individual rings is shown. Throttle valves 84 to 93 are arranged in the supply lines of the individual inlet rows and can be adjusted by corresponding actuating members 94 to 103. These actuators are connected to a common control device 104, from which corresponding closing or throttle commands are issued in a manner to be described below.
If it is assumed that all particle rings are fully loaded, the device described is used to regulate the dwell time of the individual rings in the following way:
First of all, the actuators 102-103 for the valves 92-93 under the lowermost particle ring 83 receive a briefly effective closing command. As a result, the flow acting on the particle ring from below is briefly interrupted, so that the storage level is dissolved and the particle ring 83 is guided downwards by the action of the auxiliary gas flowing in through inlets 76 and 77 and the particles of this ring are removed through outlet 29. When the throttle valves 92-93 open again, a storage level is formed again between the inlet rows 76-77 and 78-79.
In order to ensure that the particles of the ring 82 continue to run into the initially still empty ring 83, a briefly effective closing command is then given to the actuators 100-101 of the throttle valves 90-91, so that the flow component effective from bottom to top of the inlet row 76-77 is omitted and thus the particles are guided downwards. This throttling of the valves for the inlet row 76-77 may only be effective until the particles from the ring 82 have passed the mouths of the inlet row 76-77, so that the stabilizing flows are restored when the ring 83 is reached. The particles of the ring 81 can then be transferred into the ring 82 in the same way by throttling the valves 88-89 for the inlet row 7475.
Finally, by throttling the valves 86-87, the particles of the uppermost ring 80 are also transferred to the ring below, so that again particles can be added to fill the uppermost ring.
The control device 104 contains conventional elements for the timely staggering of the individual closing commands, whereby the dwell time in the individual rings and thus also the total dwell time of a particle in the vortex chamber can be determined.
In addition, the strength and duration of the throttling of the individual valves can be precisely adjusted by other known control means.
The device according to the invention is not limited to the embodiment described in the drawing. Rather, it is possible that each inlet row for the individual inlets is combined and has only a single throttle valve, and it is also possible that each individual inlet is provided with its own valve or that groups of inlets are combined to form a unit.
With the device described, the rings can be kept in the vortex chamber as long as desired; In addition, it is possible to precisely control the capacity of the individual rings by adjusting the amount of auxiliary gas flowing in, since more particles can be held in a ring with larger amounts of auxiliary gas and speeds. In addition, the number of nozzle rings can be selected according to the dwell time to be set. It is possible, with the same assumed residence time, to allow the particles to rotate for a longer period of time by using small amounts in fewer rings, while with larger throughput amounts it is more advantageous to provide several rings on top of one another, each with shorter residence times.
The regulation described does not only apply to vertically arranged vortex chambers, but it is to be used in the same way for horizontally or obliquely arranged vortex chambers, since the particles can be clearly held and guided even in a horizontal position. When an inflow row is closed or throttled, the rings then move further to the side of the closed inflow row and can finally be removed from the vortex chamber with the aid of the flow alone without the additional effect of gravity.
Additional measuring devices in the area of the particle outlet can determine whether the desired treatment has been carried out completely. In the event of deviations from the target state, corrections to the subsequent times for the closing commands emanating from the common control device and changes to the required throttling or the closing or throttling times can be made. In this context it should be pointed out once again that it is not necessary to completely interrupt the auxiliary gas supply in order to detach the particle rings, but rather a corresponding throttling of the flow is sufficient.
In the event of sudden disturbances that require a quick shutdown, a very quick removal of the particles can be achieved by blocking all valves, since in general the auxiliary gas supply for the inlets 6, 7 in the upper part of the vortex chamber is not interrupted, so that the entire The device then works as a pure separator.
Further areas of application for a device according to the invention are in the field of endothermic and exothermic chemical reactions, such as. B. combustion. When using chemical reactions, there is also a great advantage of the invention, since the particle size does not touch the wall of the reaction chamber, so that any high reaction temperatures that may occur are kept away from the wall and thus a less high-quality material can be used for the vortex chamber jacket. Furthermore, with the device according to the invention, even liquids such. B. Milk, dry to powder, or the other way around, even an intensive and uniform moistening of suspended particles can take place.