Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren von Stoffen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere zum Mischen mindestens eines körnigen oder pulverförmigen Feststoffes mit einer Flüssigkeit, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei vielen Anwendungen, wie bei Mischungen, ist es wichtig, dass eine möglichst genaue Menge eines Stoffes bzw. ein genaues Zulaufverhältnis von miteinander zu mischenden Stoffen eingehalten wird. Dieses Problem kann in vielen Fällen mit Hilfe einer volumetrischen Dosierung gelöst werden, bei der Volumeneinheiten vorbestimmter Grösse einer Mischvorrichtung zugeführt werden. Eine volumetrische Dosierung ist jedoch ungenau, wenn die Schüttdichte des zu mischenden Feststoffes sehr unterschiedlich ist.
Nun ist an sich auch eine Gewichtsdosierung denkbar. Diese setzt aber voraus, dass die Masse als eine Schüttung insgesamt vorhanden ist, doch erschwert dies wiederum das Mischen, insbesondere bei Stoffen, die bei Zugabe von Flüssigkeit zur Klumpenbildung neigen, wie z.B. Flugasche. Zwar wäre auch die Verwendung von kontinuierlichen Waagen denkbar, doch ist bekannt, dass die Genauigkeit solcher Waagen nur sehr beschränkt ist, insbesondere weil der momentane Massenfluss in deren Auslauf unvorhergesehenen Schwankungen unterworfen sein kann, beispielsweise durch Veränderung der Schüttdichte des Feststoffes. Aber auch mit Waagen ist eine vorsichtige Dosierung erforderlich, da der jeweilige Stoff im allgemeinen zwar zugegeben, aber kaum mehr entfernt werden kann.
Zwar ist die Verwendung von Wirbelbetten zum Dosieren an sich bekannt. Dabei wird ein Feststoff von der Oberseite einer Wirbelschicht überlaufen gelassen. Allerdings ergibt dies noch keine zeitkonstante Dosierung, weil sich innerhalb eines Wirbelbettes meist Gasblasen bilden und teilweise auch die Festkörper unkontrollierte Bewegungen ausführen.
Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein genau dosierendes Verfahren und eine Vorrichtung hiefür zu schaffen. Insbesondere soll ein Mischsystem für das Zumischen mindestens einer Flüssigkeit zu mindestens einem Feststoff geschaffen werden, bei dem diese in einem vorbestimmbaren Verhältnis in Kontakt gebracht und innig vermischt werden. Gemäss der Erfindung werden daher bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 vorgeschlagen.
Es wurde nämlich gefunden, dass die oben erwähnten Ungleichmässigkeiten in einer Wirbelschicht, die ein zeitkonstantes Dosieren beeinträchtigen, nicht über die gesamte Höhe einer Wirbelschicht vorhanden sind, vielmehr der Bodenbereich davon weitgehend verschont ist.
Eine besonders wichtige Anwendung und Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 2. Die Vermischung wird nämlich besonders homogen, wenn alle Teile der Oberfläche jedes Partikels auf Grund der Fluidisierung im Wirbelbett freigelegt sind. Gerade mit einer Flüssigkeit ergeben sich besonders homogene Mischungen auch dann, wenn der Feststoff schwierig zu mischen ist und zum Verklumpen bzw. Anbacken neigt. Somit liegen besonders günstige Voraussetzungen für das Mischen schwierig zu mischender Stoffe mit anderen Stoffen vor, wie es besonders bei Mischungen mit Flüssigkeiten gegeben ist. Im Rahmen der Erfindung können dabei erfindungsgemässe Dosiervorrichtungen für alle beteiligten Komponenten einer Mischung vor der Mischvorrichtung vorgesehen sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Flüssigkeit in den fluidisierten Stoff eingespritzt wird. Es hat sich erwiesen, dass durch diesen Verfahrensschritt eine optimale Mischung mit dem fluidisierten Stoff erreicht wird.
Für eine \konomische und wirksame Dosierung wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass dem homogenisierten Gas-Stoffgemisch vor der Mischung mit dem zweiten Stoff zusätzlich Gas zugeführt wird, wobei dieses Gas dem der Mischvorrichtung zuströmenden Gas-Feststoffstrom ummantelnd und parallel zu seiner Strömungsrichtung zugeführt wird. Durch wahlweise Veränderung dieser zusätzlichen Gaszufuhr wird eine mehr oder weniger starke "Verdünnung" des Zwei-Phasen-Gemisches aus dem Wirbelbett erreicht.
Eine besonders wirkungsvolle und somit präzise Dosierung wird nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreicht, wenn die Geschwindigkeit des zusätzlich zugeführten, den Gas-Stoffgemischstrom ummantelnden Gases gleich gross wie die Geschwindigkeit des Gas-Stoffgemischstromes vorgesehen ist.
Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass eine Wirbelbettapparatur zum Fluidisieren des ersten insbesondere körnigen oder pulverförmigen Feststoffes vorgesehen ist, die einen Einlass für den ersten Stoff, einen oder mehrere Einlassöffnungen, vorzugsweise im Boden der Wirbelbettapparatur für Gas zum Fluidisieren, und eine Auslassöffnung für die fluidisierte Gas-Feststoffmischung aufweist, dass an der Auslassöffnung eine vorgesehen ist, die in eine Mischvorrichtung mündet, der auch der zweite Stoff, insb. als Flüssigkeit, vorzugsweise über Sprühdüsen od.dgl. zugeführt ist. Diese erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht mit geringem baulichen Aufwand die Schritte des erfindungsgemässen Verfahrens ökonomisch durchzuführen und die Voraussetzung für die Mischung der schwer miteinander zu mischenden Stoffe zu schaffen.
Besonders wirksam lässt sich die Dosierung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vornehmen, wenn an der Auslassöffnung der wirbelbettapparatur bzw. im Bereich der Auslaufleitung eine vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildete Düseneinrichtung als Dosiereinrichtung für Mischvorgang vorgesehen ist, die Kanäle zur Einbringung von zusätzlichem Gas über eine poröse Wandung, Düsen etc. des Hohlkörpers in bzw. an die homogene Gas-Stoffmischung aufweist.
Ist es im Zusammenhang mit einem Arbeitsprozess erforderlich, dass die Mischung und Dosierung selbsttätig geregelt wird, dann wird hierzu nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, dass zur Messung des Stoffinhaltes der fluidisierten Gas-Stoffmischung die Wirbelbettapparatur und die Düseneinrichtung mit gegebenenfalls voneinander entfernt angeordneten Messstellen mit vorzugsweise elektrischen oder elektronischen Druckmesseinrichtungen bzw. Niveaufühlern ausgerüstet sind, deren Ausgangssignale einer speicherprogrammierbaren elektronischen Steuerung zugeführt sind, deren Ausgangssignale zur Steuerung von Ventilen, insb. von Wegventilen und/oder Druckbegrenzungsventilen, und vorzugsweise von einer Fördereinrichtung für die Zuführung des ersten Stoffes in die Wirbelbettapparatur zu deren Steuerung zugeführt ist.
Die beschriebene Dosiereinrichtung reicht aus, kleinere Abweichungen durch Begasung zu korrigieren, um grössere Abweichungen zu korrigieren, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Wirbelbettapparatur für ein von der speicherprogrammierbaren Steuerung steuerbares Ventil mit insb. vorwählbarem Gasdruck beaufschlagbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.
Gemäss der Darstellung wird in eine Wirbelbettapparatur 1 Feststoff in Form von Partikeln, beispielsweise Flugasche oder ein anderes körniges oder pulverförmiges, insbesondere zur Klumpenbildung neigendes Material, aus einem vorgeschalteten Anlagenteil 20 über eine Fördereinrichtung, wie eine Schnecke 21 oder einen pneumatischen Förderer, in die Wirbelbettapparatur 1 eingespeist. Der vorgeschaltete Anlagenteil 20 kann beispielsweise Vorratsbehälter bzw. einem Abscheide- und Fördersystems bestehen, wie es etwa in der EP-A 0 168 614 beschrieben ist. Eine im Auslaufbereich des Vorratsbehälters 20 vorgesehene Auflokkerungseinrichtung (nicht dargestellt) kann, wie bei Silos üblich, ein Ausfliessen der Feststoffpartikel, auch bei unterschiedlichen Füllhöhen im Vorratsbehälter 20 gewährleisten.
Zur möglichst verschleissarmen Förderung der Partikel kann als Fördereinrichtung 21 insbesondere eine pneumatische Dichtstromförderung gewählt werden, wie dies auch im Falle der EP-A 0 168 614 vorgeschlagen wird. Der Ort des Einlasses 21a der Feststoffpartikel ist zweckmässig so vorgewählt, dass die Impulskräfte der aus dem Förderer 21 in die Wirbelschicht 2 eingespeisten Feststoffpartikel vernachlässigt werden können.
Durch den für das Gas durchlässigen und deshalb im allgemeinen mit Einlass-\ffnungen 11a versehenen Boden 11 der Wirbelbettapparatur 1 strömt Fluidisierungsgas G aus einer Leitung 19 von unten nach oben und wirbelt die eingespeisten Feststoffpartikel unter Bildung einer Wirbelschicht 2 auf. Dieses Gas kann im Falle beabsichtigter Mischungen auch bereits von dem Dampf der zuzuführenden Flüssigkeit, allenfalls bloss zur Erzielung einer Vorbenetzung, gebildet sein. mit steigender Anströmgeschwindigkeit des Gases lockert sich die Schicht mehr und mehr auf, so dass die Feststoffpartikel in diesem Zweiphasensystem kleinere und grössere Ortswechsel vornehmen.
Ab einer bestimmten Anströmungsgeschwindigkeit, bei der eine Schüttschicht in eine Wirbelschicht übergeht (Lokkerungspunkt), ist der Druckabfall in der Schicht über deren Höhe annähernd konstant, was, wie unten beschrieben, zur besseren Beherrschung der Dosierung ausgenutzt werden kann.
Theoretisch erstreckt sich der Wirbelschichtbereich von der unteren Grenzgeschwindigkeit, der Lockerungsgeschwindigkeit, bis zu einer oberen Grenzgeschwindigkeit, die dadurch charakterisiert werden kann, dass die Schicht so sehr aufgelockert ist, dass jedes einzelne Partikel unbeeinflusst von einem benachbarten im Fluid-Strom schwebt.
Soll nun aus einer solchen Wirbelschicht 2 fluidisierter Feststoff zeitkonstant dosiert abgefördert werden, so kann dies sinnvollerweise nur aus einer möglichst homogenen Wirbelschicht heraus geschehen. Es hat sich gezeigt, dass diese Bedingung besser als bisher durch Anordnung einer Auslassöffnung 3 im Bereiche eines Bodens 11 erfüllt werden kann, jedoch durch die Einführung eines Gasstromes G mit bei solchen Wirbelbetten üblichen Gasgeschwindigkeiten deutlich verbessert wird. Denn nur dann bleiben die Feststoffpartikel auch sehr gleichmässig in dem abzuziehenden Wirbelschichtvolumen verteilt; es treten im Idealfall keine Bindekräfte zwischen den Partikeln auf.
Die Gas/Feststoff-Mischung der Wirbelschicht 2 verhält sich weitgehend wie eine Flüssigkeit; über die Auslass-\ffnung 3 im Boden 11 der Wirbelbettapparatur 1 kann das in der Wirbelschicht 2 homogenisiert vorliegende Gas/Feststoff-Gemisch in die Auslaufleitung 4 "ausfliessen".
Wenn nun ein weitgehend homogenes Gas/Feststoff-Gemisch vorliegt, bei dem die einzelnen Partikel im Mittel jeweils gleichen Abstand voneinander aufweisen, so wurde gefunden, dass damit besonders günstige Voraussetzungen für das Mischen schwierig zu mischender Stoffe mit anderen Stoffen, insbesondere Flüssigkeiten gegeben sind. Es wurde oben bereits erwähnt, dass der Druckabfall über die Höhe der Wirbelschicht 2 konstant ist, so dass Druckdifferenzen als Mass für die Menge der in der Wirbelschicht enthaltenen Feststoffe herangezogen werden können. Somit ist es nicht nur möglich, die Menge des vorliegenden Feststoffes quantitativ genau zu ermitteln, sondern dabei auch die Homogenität des Gas/Feststoff-Stroms zu erhalten und sogar noch zu erhöhen, d.h. damit eine qualitative Bedingung zu erfüllen, die für das gestellte Problem einen optimalen Lösungsansatz bietet.
Alle dem Wirbelbettapparat 1 zugeführten Gasmengen verlassen diesen über eine Abluftleitung 34 min , in welche ein Ventil zur Einstellung des Drukkes im Wirbelbettapparat 1 integriert sein kann. Gegebenenfalls kann in den Wirbelbettapparat 1 auch eine Einrichtung zur Vorreinigung bzw. Reinigung der Abluft eingebaut werden, welche insbesondere ein Fliehkraftabscheider (Zyklon) 36 sein kann, gegebenenfalls aber auch ein Umlenksichter, wobei der abgeschiedene Feststoff über ein verlängertes Standrohr 37 dem Wirbelbett 2 wieder zugeführt wird.
Zur Kontrolle des Feststoffinhaltes der Wirbelschicht 2 ist vorteilhaft eine Druckdifferenzmessung zwischen einer Druckmessstelle 12 min knapp oberhalb des Fluidisierungsbodens 11 und einer weiteren Druckmessstelle 12e oberhalb der Wirbelschicht 2 vorgesehen. Gegebenenfalls kann aber zur Bestimmung der Feststoffmenge in der Wirbelschicht 2 auch die Druckdifferenz zwischen Sensoren 12f und 12f min und/oder 12 min herangezogen werden. Wenngleich sich diese Methoden in Ausnützung der besonderen Verhältnisse in einem Wirbelbett anbieten, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art der Messung des Feststoffinhaltes beschränkt; vielmehr könnte diese auch anderweitig, beispielsweise durch Wägezellen ermittelt werden, auf welchen die gesamte Wirbelbettapparatur 1 montiert wird.
Um nun das homogene Gas/Feststoff-Gemisch als selbst in kurzen Zeitintervallen nur geringsten unkontrollierbaren Schwankungen unterworfenen Massenstrom aus der Wirbelbettapparatur 1 zu entnehmen, ist in deren Boden 11 mindestens eine, zweckmässig zentral angeordnete, Düseneinrichtung 28 an der Auslassöffnung 3 vorgesehen. Jeder Düse 28 ist eine Auslaufleitung 4 zugeordnet, welche mit einem Absperrorgan 4 min versehen sein kann. Durch die Zufuhr weiteren Gases wird die Dichte des Festkörperstromes in dem Zwei-Phasen-Gemisch beeinflusst und damit eine genaue Dosierung ermöglicht. Dabei ist die Geschwindigkeit des über die Düse 28 zugeführten Gases (das ein anderes als im Wirbelbett 2 sein kann, beispielsweise der erwähnte Dampf der zuzumischenden Flüssigkeit) zweckmässig im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit des durch die Auslassöffnung 3 tretenden Gas/Feststoff-Stromes.
Da, wie oben beschrieben, die Qualität der Dosierung des ausfliessenden Feststoffes sehr wesentlich auch durch die Homogenität des ausfliessenden Gas/Feststoff-Stroms bestimmt ist, sind mögliche Instabilitätsquellen bereits in der Wirbelschicht 2 durch entsprechende Massnahmen auszuschalten. So ist es beispielsweise durch günstige Ausgestaltung des Wirbelschichtbodens 11 möglich, die Instabilitätsgrenze zu erhöhen. Werden beispielsweise hochporöse Sinterböden mit einem mittleren Porendurchmesser von 25 mu m und einer Bodendicke von ca. 20 mm gewählt, so strömt das Fluid fein verteilt in die Wirbelschicht ein. Schwingungsfähige Wirbelbettböden 11, die gegebenenfalls durch einen Pulsgeber in Vibrationen versetzt werden können, unterstützen diesen Vorgang. In gleicher Weise ist auch der Einsatz von Rührern möglich.
Fluidisierungsgas, das pulsierend durch den Boden 11 der Wirbelbettapparatur 1 einströmt, verbessert ebenfalls, gegebenenfalls zusätzlich zu den beschriebenen Massnahmen, die Homogenisierung der Wirbelschicht 2.
Der nicht unproblematische Bereich der Eintrittszone wird durch das Verhältnis des Durchmessers D der Auslassöffnung 3 und der Höhe H und/oder die Bodenfläche der Wirbelschicht 2 - bei gleichbleibender Fluidisierungsgeschwindigkeit - bestimmt. So erweist sich ein Verhältnis von D:H gleich 1:2 als zweckmässiges Minimalerfordernis. Je höher die Wirbelschichthöhe H - und damit der Feststoffinhalt - gegenüber dem Durchmesser D der Auslassöffnung 3 wird, desto besser ist die Homogenität der Wirbelschicht 2, und damit die Vorhomogenisierung des ausfliessenden Gas/Feststoff-Stromes. Grössere Wirbelschichthöhen H wirken ausserdem dämpfend für Schwankungen, die sich aufgrund der Einspeisung der Feststoffpartikel in die Wirbelschicht über beispielsweise die Fördereinrichtung 21 ergeben können.
Ferner können vorzugsweise symmetrisch zur Auslassöffnung 3, eine oder mehrere Fluidisierungsdüsen 6 angeordnet sein, durch die über eine pneumatische Leitung 10 zusätzlich zu dem durch den Boden 11 der Wirbelbettapparatur 1 strömenden Gas (Pfeil G) Fluidisierungsgas in die Wirbelschicht 2 eingebracht wird. Die Fluidisierungsdüse 6 ist hier in Form eines Ringkanals mit porösem Einsatz ausgebildet, wodurch die Auslassöffnung 3 konzentrisch zusätzlich fluidisiert werden kann. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, der Bildung von Instabilitäten, die gerade für die Eintrittszone kennzeichnend sind, in einem gewissen Masse entgegenzuwirken. Auch hat sich gezeigt, dass auf diese Weise das Einziehen von Blasen in die Auslaufleitung 4 gehemmt wird.
Deshalb sollte die Geschwindigkeit des über die Fluidisierungsdüse 6 zusätzlich zugeführten Gases bevorzugt kleiner sein als die Geschwindigkeit des durch den Boden 11 der Wirbelbettapparatur 1 strömenden Gases. Feststoffbrücken, die sich bevorzugt gerade im Bereich der Auslassöffnung 3 bilden, können so aufgebrochen und gelöst werden.
Der Massenstrom des ausfliessenden Feststoffes ist im wesentlichen durch die Masse des Feststoffes, welche sich gerade im Wirbelbett 2 befindet, und durch die Druckdifferenz zwischen einem Punkte über der Wirbelschicht 2 und einem Punkte im unmittelbar an die Auslaufleitung 4 nachfolgenden Anlagenteil bestimmt, wird durch Auswertung dieser Daten erfasst und kann wie folgt beeinflusst werden.
Eine ungefähre Voreinstellung des ausfliessenden Feststoff-Massenstromes wird über den Feststoffinhalt der Wirbelschicht 2 und/oder über eine Erhöhung oder Erniedrigung des Druckes oberhalb der Wirbelschicht 2 durchgeführt. Dabei wird der Feststoffinhalt, wie oben bereits dargestellt, ermittelt und über eine Steuerung bzw. Regelung 34, welche auf die Einspeisung von Feststoff in die Wirbelschicht 2 über die Fördereinrichtung 21 wirkt, geregelt.
Es ist nun besonders vorteilhaft, wenn mit Hilfe der Druckmessstelle 12e der Druck im Raume oberhalb der Wirbelschicht 2 ermit telt und dieser über die, z.B. speicherprogrammierbare, Steuerung bzw. Regelung 34 durch Betätigen eines Ventiles 35 in der Abluftleitung 34 des Wirbelbettapparates 1 und/oder über ein Ventil 33 in einer Leitung 31 durch geregelte Zugabe eines auf höherem Druckniveau befindlichen Gases (es kann dasselbe sein wie das Fluidisierungsgas oder ein anderes) geregelt werden. An Stelle des Druckes am Sensor 12e kann hiezu aber auch die Druckdifferenz zwischen diesem Sensor 12e und einer im nachfolgenden Anlagenteil, wie einem Mischer 18, befindlichen Druckmessstelle 12g herangezogen werden, was sich insbesondere dann empfiehlt, wenn der Druck in diesem Anlagenteil bzw. dem Mischer 18 verfahrensbedingten Änderungen unterworfen ist.
Wird nun, möglichst unmittelbar an die Auslassöffnung 3 anschliessend, die bereits erwähnte Gaszuführung 5, 8 vorgesehen, so ist eine Beeinflussung des Feststoff-Massendurchsatzes innerhalb extrem geringer Reaktionszeiten erreichbar. Diese ist prinzipiell durch einzelne, z.B. kranzförmig an der Leitung 4 angeordnete, Düsen realisierbar, wird jedoch vorteilhaft als zylindrischer gasdurchlässiger Hohlkörper 5, z.B. aus Keramik, ausgebildet, welcher von einem ringförmigen Begasungskanal 8 umgeben ist. Dieser wird über eine Gasleitung 10 min , die mit der Gasleitung 10 zu den Fluidisierungsdüsen 6 verbunden sein kann, ebenfalls mit Fluidisierungsgas beschickt - wobei Ventile 13, 13 min , gegebenenfalls auch Wegeventile und/oder Druckbegrenzungsventile, vorgesehen sein können.
Zur Messung des austretenden Gas/Feststoff-Stromes kann möglichst nahe der Auslassöffnung 3 in der Wandung 7 des Hohlkörpers 5 eine Druckmessstelle 12 angeordnet sein, über die gemeinsam mit einer nahe dem Boden 11 der Wirbelbettapparatur 1 angeordneten Druckmessstelle 12 min der Differenzdruck zwischen der Wirbelschicht 2 in Bodennähe und der Auslaufleitung 4 nahe der Auslassöffnung 3 be stimmt wird, wobei dazu gegebenenfalls ein piezoresistiver Differenzdruckaufnehmer oder zwei einzelne piezoresistive Druckaufnehmer vorgesehen sein können. Durch diese Positionierung der Druckmessstellen 12, 12 min wird erreicht, dass die Totzeit zwischen dem Eintritt des Feststoffes in die Auslassöffnung 3 und der Messung des Feststoffmassenstroms über die Druckmessstellen 12, 12 min minimiert wird.
Diese Messung könnte selbstverständlich auch durch ein anderes Messverfahren, beispielsweise nach dem Coriolis-Prinzip realisiert werden, wodurch sich jedoch eine unerwünschte Beeinflussung des Feststoff-Massenstromes in bezug auf Durchsatz und Homogenität ergäbe.
Die über die Differenzdruckmessung verfügbaren Messdaten können über die schon erwähnte Steuerung 34 mit eingebautem Regler geführt werden, die wiederum die Fluidisierung und/oder Begasung des ausfliessenden Gas/Feststoff-Stromes über den Begasungskanal 8 und/oder die Fluidisierungsdüse(n) 6 steuert und damit eine Regelung des Gas/Feststoff-Stromes ermöglicht.
Der zur Beeinflussung des Feststoffmassendurchsatzes notwendige Zusatz an zusätzlichem Fluidisierungsgas beträgt dabei nur einen Bruchteil des Gesamtmenge an Fluidisierungsgas, wodurch äusserst schnelle Regel- und Steuerzeiten von weniger als 100 Millisekunden möglich werden.
Das Vorsehen weiterer Druckmessstellen 12a bis 12d ermöglicht einerseits die Kontrolle der Porosität und Homogenität der Wirbelschicht 2 über eine Druckdifferenzmessung innerhalb der Wirbelschicht 2 (12a und 12b). Andererseits kann über die Druckmessstellen 12 min und 12c, die knapp oberhalb und knapp unterhalb des Bodens 11 der Wirbelbettapparatur 1 angeordnet sind, ein Druckverlust über dem Boden 11 gemessen werden, so dass mögliche Verstopfungen des porösen Bodens 11 rechtzeitig erkannt werden.
Um zu vermeiden, dass sich feiner Feststoff aus der Wirbelschicht 2 auf den Messmembranen von Drucksensoren absetzen kann, werden vorzugsweise kleine, feine, poröse Kunststoffilter vorgesehen, bzw. wird durch Spülung der Druckleitung mit Gas ein Eindringen von Feststoffteilchen vermieden.
Messdaten aufgrund von Messungen der Homogenität in der Wirbelschicht 2 können sowohl über eine Nachstellung der Anströmgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases als auch über die Zuführung zusätzlichen Fluidisierungsgases, sei es über die Fluidisierungsdüsen 6, den Fluidisierungsboden 11 und insbesondere über die Gaszuführleitung 5, 8 als Regulativ für die Homogenisierung der Wirbelschicht 2 einerseits bzw. des ausfliessenden Gas/Feststoff-Stromes andererseits dienen.
Es stehen somit, um die gewünschte Dosiergenauigkeit und -schnelligkeit zu erreichen, eine Mehrzahl von Regel- bzw. Steuermechanismen zur Verfügung, deren Kombination bzw. gesonderte Anwendung einen grossen Regelbereich und ausgezeichnete Regelcharakteristika bewirken.
Damit sind zwei gute Voraussetzungen für die dosiergenaue Mischung eines schwer mischbaren Feststoffes mit einer Flüssigkeit erfüllt, indem einerseits die Feststoffmenge genau bestimmt werden kann und diese anderseits in besonders günstigen Voraussetzungen für die Mischung vorliegt. Deshalb wird - als dritte Voraussetzung zur Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems im Anschlusse an die das Wirbelbett 1 umfassende Fluidisier- und Dosiereinrichtung eine Mischvorrichtung 18 vorgesehen, die hier nur symbolisch angedeutet ist und im Prinzip auf die verschie denste Weise ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Wirbelbett 1 bis zum Erreichen der Höhe H (was mittels der Sensoren in der beschriebenen Weise festgestellt wird) aufgefüllt und chargenweise in eine im Batch-Betrieb arbeitende Mischvorrichtung 18 entleert werden.
Die zuzumischende Flüssigkeit(en) werden dem System über Leitungen 30 an mindestens einem Orte zugeführt. Insbesondere ist auch die Zugabe ein und derselben Flüssigkeit gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen möglich. Dabei kann die Flüssigkeit über Sprühdüsen in den fluidisierten Feststoff eingespritzt werden, beispielsweise auch über eine hohle Mischerwelle 27 und/oder auch in flüssiger oder dampfförmiger Form direkt in die Wirbelschicht und/oder in die Düse 28, allenfalls auch nur zur Vorbefeuchtung.
In einer Flüssigkeitsleitung 40, von der zwei alternativ oder kumulativ anzuwendende Varianten gezeigt sind, befinden sich entsprechende Vorrichtungen zur gezielten Veränderung des Durchsatzes, z.B. ein Stellventil 41 und/oder eine Pumpe, sowie zur Messung der zugesetzten Flüssigkeitsmenge, welche verschiedentlich ausgebildet sein können, z.B. in Form eines magnetisch-induktiven Durchsatzmessers, eines Ultraschallmessers od.dgl. Es ist möglich, diese Durchsatzmesser auch nur temporär zu betreiben, etwa um eine Grundeinstellung einzuregeln. Über die gemessenen Durchsätze an Flüssigkeit und Feststoff wird dann je nach den Erfordernissen des Betriebes, z.B. durch Beeinflussung des Stellventiles 41, auch eine Regelung der Flüssigkeitsmenge vorgenommen.
Wie erwähnt, kann die Mischvorrichtung auf die verschiedenste Weise ausgebildet sein. Die Anwendung eines Chargenbetriebes ist bei Flugasche deshalb günstig, weil Flugasche in der Praxis in zeitlich sehr unterschiedlichen Mengen abtransportiert wird.
Obwohl die Erfindung anhand einer Mischvorrichtung 18 beschrieben wurde, die an sich verschieden ausgebildet sein kann, ist es ohne weiteres auch möglich, sie in anderem Zusammenhange anzuwenden, beispielsweise für das Zudosieren in Waagen. Ferner sind auch an der gezeigten Vorrichtung zahlreiche Modifikationen denkbar; so kann zur Regelung der Druckdifferenz zwischen einem Punkte oberhalb der Wirbelschicht 2 und dem Mischorgan 18 in die Abluftleitung 31 der Wirbelbettapparatur 1 ein Ventil 33 integriert sein, welches über die Druckdifferenz an den Messstellen 12f und 12g geregelt wird.
The invention relates to a method for dosing substances according to the preamble of claim 1, in particular for mixing at least one granular or powdery solid with a liquid, and a device for performing this method.
In many applications, such as mixtures, it is important that the most accurate possible amount of a substance or an exact inflow ratio of substances to be mixed with one another is observed. In many cases, this problem can be solved with the aid of volumetric metering, in which volume units of a predetermined size are fed to a mixing device. However, volumetric dosing is inaccurate if the bulk density of the solid to be mixed is very different.
Weight dosing is now also conceivable. However, this presupposes that the mass is present as a whole, but this in turn makes it difficult to mix, particularly in the case of substances which tend to form lumps when liquid is added, e.g. Fly ash. The use of continuous scales would also be conceivable, but it is known that the accuracy of such scales is only very limited, in particular because the instantaneous mass flow in their outlet can be subject to unforeseen fluctuations, for example by changing the bulk density of the solid. Careful dosing is also necessary with scales, since the substance in question can generally be added, but can hardly be removed.
The use of fluidized beds for dosing is known per se. A solid is allowed to overflow from the top of a fluidized bed. However, this does not result in a time-constant metering because gas bubbles usually form within a fluidized bed and some of the solids also perform uncontrolled movements.
It is therefore the object of the invention to create a precisely metering method and a device therefor. In particular, a mixing system for the admixing of at least one liquid to at least one solid is to be created, in which these are brought into contact in a predeterminable ratio and intimately mixed. According to the invention, the characterizing features of claim 1 are therefore proposed in a method of the type mentioned at the outset.
It has been found that the above-mentioned irregularities in a fluidized bed, which impair metering at a constant time, are not present over the entire height of a fluidized bed, rather the floor area is largely spared from it.
A particularly important application and configuration of the method according to the invention results from the features of claim 2. The mixing becomes particularly homogeneous when all parts of the surface of each particle are exposed due to the fluidization in the fluidized bed. Especially with a liquid, particularly homogeneous mixtures result even when the solid is difficult to mix and tends to clump or bake. This means that there are particularly favorable conditions for mixing substances that are difficult to mix with other substances, as is particularly the case with mixtures with liquids. Within the scope of the invention, metering devices according to the invention can be provided for all the components of a mixture involved in front of the mixing device.
According to a preferred embodiment of the invention, it is proposed that the liquid be injected into the fluidized substance. It has been shown that an optimal mixing with the fluidized substance is achieved by this process step.
For an economical and effective metering, it is proposed in a further embodiment of the invention that additional gas is added to the homogenized gas-substance mixture before mixing with the second substance, this gas encasing the gas-solid stream flowing to the mixing device and supplied parallel to its direction of flow becomes. By optionally changing this additional gas supply, a more or less strong "dilution" of the two-phase mixture from the fluidized bed is achieved.
A particularly effective and thus precise metering is achieved according to a further preferred embodiment of the invention if the speed of the additionally supplied gas which surrounds the gas-substance mixture flow is provided to be the same as the speed of the gas-substance mixture flow.
In a device according to the invention for carrying out the method, it is proposed that a fluidized bed apparatus be provided for fluidizing the first, in particular granular or powdery, solid, which has an inlet for the first substance, one or more inlet openings, preferably in the bottom of the fluidized bed apparatus for gas for fluidizing, and has an outlet opening for the fluidized gas-solid mixture, that at the outlet opening one is provided, which opens into a mixing device, which also contains the second substance, especially as a liquid, preferably via spray nozzles or the like. is fed. This device according to the invention enables the steps of the method according to the invention to be carried out economically and with little structural complexity and to create the conditions for mixing the substances which are difficult to mix with one another.
Dosing can be carried out particularly effectively according to a preferred embodiment of the invention if a nozzle device, preferably in the form of a hollow body, is provided as a metering device for the mixing process at the outlet opening of the fluidized bed apparatus or in the area of the outlet line, the channels for introducing additional gas via a porous wall , Nozzles etc. of the hollow body in or on the homogeneous gas-substance mixture.
If it is necessary in connection with a work process that the mixing and metering is controlled automatically, then, according to a preferred embodiment of the invention, it is proposed that the fluidized bed apparatus and the nozzle device with measuring points optionally arranged at a distance from one another be used to measure the substance content of the fluidized gas-substance mixture preferably electrical or electronic pressure measuring devices or level sensors, the output signals of which are fed to a programmable logic controller, the output signals for controlling valves, in particular directional control valves and / or pressure limiting valves, and preferably from a conveyor device for feeding the first substance into the fluidized bed apparatus is fed to their control.
The dosing device described is sufficient to correct smaller deviations by gassing, in order to correct larger deviations, it is proposed in a further embodiment of the invention that the fluidized bed apparatus can be acted upon with a preselectable gas pressure for a valve that can be controlled by the programmable logic controller.
Further details of the invention result from the following description of an embodiment shown in the single figure of the drawing.
According to the illustration, solid in the form of particles, for example fly ash or another granular or powdery material, in particular material that tends to form lumps, is placed in a fluidized bed apparatus 1 from an upstream system part 20 via a conveying device, such as a screw 21 or a pneumatic conveyor, into the fluidized bed apparatus 1 fed. The upstream system part 20 can consist, for example, of storage containers or a separating and conveying system, as is described, for example, in EP-A 0 168 614. A loosening device (not shown) provided in the outlet area of the storage container 20 can, as is customary with silos, ensure that the solid particles flow out, even at different filling levels in the storage container 20.
In order to convey the particles with as little wear as possible, a pneumatic dense phase conveyance can be selected as the conveying device 21, as is also proposed in the case of EP-A 0 168 614. The location of the inlet 21a of the solid particles is expediently preselected such that the momentum forces of the solid particles fed into the fluidized bed 2 from the conveyor 21 can be neglected.
Fluidizing gas G flows out of a line 19 from bottom to top through the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1, which is permeable to the gas and therefore generally provided with inlet openings 11a, and swirls the solid particles fed in, forming a fluidized bed 2. In the case of intended mixtures, this gas can also already be formed by the vapor of the liquid to be supplied, at best only to achieve prewetting. As the gas flow velocity increases, the layer loosens more and more, so that the solid particles in this two-phase system make smaller and larger changes of location.
Above a certain inflow velocity at which a bed layer changes into a fluidized bed (locomotive point), the pressure drop in the bed is almost constant over its height, which, as described below, can be used to better control the dosage.
Theoretically, the fluidized bed area extends from the lower limit speed, the loosening speed, to an upper limit speed, which can be characterized by the fact that the layer is loosened so much that each individual particle floats unaffected by an adjacent one in the fluid flow.
If fluidized solid is to be conveyed out of such a fluidized bed in a metered manner at a constant time, this can usefully be done only from a fluid bed which is as homogeneous as possible. It has been shown that this condition can be met better than hitherto by arranging an outlet opening 3 in the region of a base 11, but is significantly improved by introducing a gas flow G with gas speeds customary in such fluidized beds. Only then will the solid particles remain distributed very evenly in the fluidized bed volume to be drawn off; ideally, there are no binding forces between the particles.
The gas / solid mixture of the fluidized bed 2 behaves largely like a liquid; Via the outlet opening 3 in the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1, the gas / solid mixture which is homogenized in the fluidized bed 2 can “flow out” into the outlet line 4.
If a largely homogeneous gas / solid mixture is now present, in which the individual particles have the same distance from one another on average, it was found that this provides particularly favorable conditions for mixing substances which are difficult to mix with other substances, in particular liquids. It has already been mentioned above that the pressure drop over the height of the fluidized bed 2 is constant, so that pressure differences can be used as a measure of the amount of solids contained in the fluidized bed. Thus, it is not only possible to determine the amount of the solid present precisely, but also to maintain and even increase the homogeneity of the gas / solid flow, i.e. thereby fulfilling a qualitative condition that offers an optimal solution for the problem posed.
All gas quantities supplied to the fluidized bed apparatus 1 leave it via an exhaust air line 34 min into which a valve for adjusting the pressure in the fluidized bed apparatus 1 can be integrated. If necessary, a device for pre-cleaning or cleaning of the exhaust air can also be installed in the fluidized bed apparatus 1, which device can in particular be a centrifugal separator (cyclone) 36, but possibly also a deflecting sifter, the separated solids being fed back to the fluidized bed 2 via an extended standpipe 37 becomes.
To check the solids content of the fluidized bed 2, a pressure difference measurement is advantageously provided between a pressure measuring point 12 min just above the fluidization tray 11 and a further pressure measuring point 12e above the fluidized bed 2. If necessary, however, the pressure difference between sensors 12f and 12f min and / or 12 min can also be used to determine the amount of solids in the fluidized bed 2. Although these methods offer the advantage of the special conditions in a fluidized bed, the present invention is not restricted to this type of measurement of the solids content; rather, this could also be determined otherwise, for example by means of load cells, on which the entire fluidized bed apparatus 1 is mounted.
In order to remove the homogeneous gas / solid mixture from the fluidized bed apparatus 1 as a mass flow which is subject to only the slightest uncontrollable fluctuations even in short time intervals, at least one expediently centrally arranged nozzle device 28 is provided at the outlet opening 3 in the bottom 11 thereof. Each nozzle 28 is assigned an outlet line 4, which can be provided with a shut-off device 4 minutes. The density of the solid-state stream in the two-phase mixture is influenced by the supply of further gas and thus enables precise metering. The speed of the gas supplied via the nozzle 28 (which may be different from that in the fluidized bed 2, for example the aforementioned vapor of the liquid to be mixed) is expediently substantially equal to the speed of the gas / solids stream passing through the outlet opening 3.
Since, as described above, the quality of the metering of the outflowing solid is also determined essentially by the homogeneity of the outflowing gas / solid stream, possible sources of instability must be eliminated in the fluidized bed 2 by appropriate measures. It is possible, for example, to design the fluidized bed base 11 to increase the instability limit. If, for example, highly porous sintered floors with an average pore diameter of 25 μm and a floor thickness of approximately 20 mm are selected, the fluid flows into the fluidized bed in a finely divided manner. Vibratory fluidized bed floors 11, which can be set in vibration by a pulse generator if necessary, support this process. The use of stirrers is also possible in the same way.
Fluidizing gas, which flows pulsating through the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1, likewise improves the homogenization of the fluidized bed 2, possibly in addition to the measures described.
The not unproblematic area of the entry zone is determined by the ratio of the diameter D of the outlet opening 3 and the height H and / or the bottom surface of the fluidized bed 2 - with the fluidization speed remaining the same. A ratio of D: H equal to 1: 2 proves to be a practical minimum requirement. The higher the fluidized bed height H - and thus the solids content - compared to the diameter D of the outlet opening 3, the better the homogeneity of the fluidized bed 2 and thus the pre-homogenization of the outflowing gas / solids stream. Larger fluidized bed heights H also have a damping effect on fluctuations which may result from the feeding of the solid particles into the fluidized bed via, for example, the conveyor device 21.
Furthermore, one or more fluidizing nozzles 6 can preferably be arranged symmetrically to the outlet opening 3, through which fluidizing gas is introduced into the fluidized bed 2 via a pneumatic line 10 in addition to the gas (arrow G) flowing through the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1. The fluidization nozzle 6 is designed here in the form of an annular channel with a porous insert, as a result of which the outlet opening 3 can also be fluidized concentrically. This creates the possibility to counteract to a certain extent the formation of instabilities that are characteristic of the entry zone. It has also been shown that the drawing in of bubbles into the outlet line 4 is inhibited in this way.
Therefore, the speed of the gas additionally supplied via the fluidization nozzle 6 should preferably be lower than the speed of the gas flowing through the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1. Solid bridges, which preferably form precisely in the area of the outlet opening 3, can be broken up and released in this way.
The mass flow of the outflowing solid is essentially determined by the mass of the solid, which is currently in the fluidized bed 2, and by the pressure difference between a point above the fluidized bed 2 and a point in the part of the system immediately following the outlet line 4, is determined by evaluating it Data is collected and can be influenced as follows.
An approximate presetting of the outflowing solids mass flow is carried out via the solids content of the fluidized bed 2 and / or via an increase or decrease in the pressure above the fluidized bed 2. The solids content, as already described above, is determined and regulated via a control or regulation 34, which acts on the feeding of solids into the fluidized bed 2 via the conveyor device 21.
It is now particularly advantageous if, with the help of the pressure measuring point 12e, the pressure in the space above the fluidized bed 2 is determined and this via the, e.g. Programmable logic controller 34 by actuating a valve 35 in the exhaust air line 34 of the fluidized bed apparatus 1 and / or via a valve 33 in a line 31 by the controlled addition of a gas at a higher pressure level (it can be the same as the fluidizing gas or another ) be managed. Instead of the pressure at sensor 12e, the pressure difference between this sensor 12e and a pressure measuring point 12g located in the subsequent system part, such as a mixer 18, can also be used, which is particularly recommended if the pressure in this system part or the mixer 18 is subject to procedural changes.
If the gas supply 5, 8 mentioned above is now provided, as directly as possible following the outlet opening 3, the solids mass throughput can be influenced within extremely short reaction times. In principle, this is by individual, e.g. Nozzles arranged in the form of a ring on the line 4, but is advantageously used as a cylindrical, gas-permeable hollow body 5, e.g. made of ceramic, which is surrounded by an annular gassing channel 8. This is also charged with fluidizing gas via a gas line 10 min, which can be connected to the gas line 10 to the fluidizing nozzles 6 - valves 13, 13 min, optionally also directional control valves and / or pressure limiting valves, can be provided.
To measure the escaping gas / solids flow, a pressure measuring point 12 can be arranged as close as possible to the outlet opening 3 in the wall 7 of the hollow body 5, via which the pressure difference between the fluidized bed 2 is arranged together with a pressure measuring point 12 min located near the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1 near the ground and the outlet line 4 near the outlet opening 3 be true, where appropriate a piezoresistive differential pressure sensor or two individual piezoresistive pressure sensors can be provided. This positioning of the pressure measuring points 12, 12 min ensures that the dead time between the entry of the solid into the outlet opening 3 and the measurement of the solid mass flow via the pressure measuring points 12, 12 min is minimized.
This measurement could of course also be carried out by another measurement method, for example according to the Coriolis principle, but this would have an undesirable influence on the solid mass flow in terms of throughput and homogeneity.
The measurement data available via the differential pressure measurement can be carried out via the already mentioned control 34 with a built-in regulator, which in turn controls and thus controls the fluidization and / or gassing of the outflowing gas / solid stream via the gassing channel 8 and / or the fluidization nozzle (s) 6 regulation of the gas / solids flow enables.
The addition of additional fluidizing gas necessary to influence the solid mass throughput is only a fraction of the total amount of fluidizing gas, which enables extremely fast regulation and control times of less than 100 milliseconds.
The provision of further pressure measuring points 12a to 12d on the one hand enables the porosity and homogeneity of the fluidized bed 2 to be checked via a pressure difference measurement within the fluidized bed 2 (12a and 12b). On the other hand, a pressure loss across the bottom 11 can be measured via the pressure measuring points 12 min and 12c, which are arranged just above and just below the bottom 11 of the fluidized bed apparatus 1, so that possible blockages of the porous bottom 11 are recognized in good time.
In order to avoid that fine solids can settle out of the fluidized bed 2 on the measuring membranes of pressure sensors, small, fine, porous plastic filters are preferably provided, or penetration of solid particles is avoided by flushing the pressure line with gas.
Measurement data based on measurements of the homogeneity in the fluidized bed 2 can be adjusted as a regulation for the homogenization both by adjusting the flow velocity of the fluidizing gas and also by supplying additional fluidizing gas, be it via the fluidizing nozzles 6, the fluidizing tray 11 and in particular via the gas supply line 5, 8 serve the fluidized bed 2 on the one hand and the outflowing gas / solid stream on the other.
In order to achieve the desired dosing accuracy and speed, there are a number of regulating and control mechanisms available, the combination or separate use of which results in a large regulating range and excellent regulating characteristics.
This fulfills two good prerequisites for the precisely metered mixing of a difficult-to-mix solid with a liquid, on the one hand the amount of solid can be exactly determined and on the other hand there are particularly favorable conditions for the mixture. Therefore - as a third prerequisite for solving the problem underlying the invention in connection to the fluidizing and dosing device comprising the fluidized bed 1, a mixing device 18 is provided, which is only indicated symbolically here and can in principle be designed in various ways. For example, the fluidized bed 1 can be filled up to the height H (which is determined by the sensors in the manner described) and emptied in batches into a mixing device 18 operating in batch mode.
The liquid (s) to be mixed are fed to the system via lines 30 at at least one location. In particular, the same liquid can also be added simultaneously at different points. The liquid can be injected into the fluidized solid via spray nozzles, for example also via a hollow mixer shaft 27 and / or also in liquid or vapor form directly into the fluidized bed and / or into the nozzle 28, possibly only for pre-moistening.
In a liquid line 40, of which two alternative or cumulative variants are shown, there are corresponding devices for specifically changing the throughput, e.g. a control valve 41 and / or a pump, as well as for measuring the amount of liquid added, which can be designed in various ways, e.g. in the form of a magnetic inductive flow meter, an ultrasonic meter or the like. It is also possible to operate these flow meters only temporarily, for example to adjust a basic setting. Depending on the requirements of the company, e.g. by influencing the control valve 41, the liquid quantity is also regulated.
As mentioned, the mixing device can be designed in a wide variety of ways. The use of a batch operation for fly ash is cheap because in practice fly ash is removed in very different amounts in time.
Although the invention has been described with reference to a mixing device 18, which can have different designs per se, it is also readily possible to use it in other contexts, for example for metering in scales. Furthermore, numerous modifications are also conceivable in the device shown; In order to regulate the pressure difference between a point above the fluidized bed 2 and the mixing element 18, a valve 33 can be integrated into the exhaust air line 31 of the fluidized bed apparatus 1, which valve 33 is controlled via the pressure difference at the measuring points 12f and 12g.