Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Reaktor zur Herstellung von Chlor
aus Chlorwasserstoff durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff bereitzustellen,
welcher eine gute Durchmischung von Gas- und Feststoffphase erlaubt
und weitgehend isotherm arbeitet.
Gelöst wird
die Aufgabe durch einen Reaktor zur Herstellung von Chlor aus Chlorwasserstoff
durch Gasphasenoxidation mit Sauerstoff in Gegenwart eines heterogenen
Katalysators in einer Wirbelschicht, wobei in der Wirbelschicht
ein Wärmeübertrager
und gasdurchlässige
Platten aufgenommen sind. Dabei sind die gasdurchlässigen Platten
wärmeleitend
mit dem Wärmeübertrager
verbunden.
Durch
die wärmeleitende
Verbindung der gasdurchlässigen
Platten mit dem Wärmeübertrager wird
die Wärmeübertragungsfläche in der
Wirbelschicht vergrößert, da
die gasdurchlässigen
Platten als Rippen wirken, die Wärme
aufnehmen und an den Wärmeübertrager
leiten. Hierzu ist es erforderlich, dass die Wärmeleitfähigkeit der gasdurchlässigen Platten
größer ist
als die Wärmeleitfähigkeit
in der Wirbelschicht.
Die
wärmeleitende
Verbindung der gasdurchlässigen
Platten mit dem Wärmeübertrager kann
form-, reib- oder stoffschlüssig
erfolgen. Formschlüssige
Verbindungen sind zum Beispiel Verbindungen mit Bolzen, Stiften
oder Nieten. Reibschlüssige
Verbindun gen sind zum Beispiel Schraubverbindungen, Klemmsitze Presspassungen
oder Verbindungen mit federnden Zwischengliedern. Zu den stoffschlüssigen Verbindungen
zählen
Schweißen, Löten und
Kleben.
Bevorzugt
sind stoffschlüssige
Verbindungen, da diese den besten Wärmeübergang von den gasdurchlässigen Platten
an den Wärmeübertrager gewährleisten.
Eine
isotherme Wirbelschicht wird vorzugsweise dadurch erhalten, dass
eine möglichst
große Wärmeübertragungsfläche zur
Verfügung
gestellt wird. Geeignete Wärmeübertrager
sind zum Beispiel Rohrbündel-Wärmeübertrager
mit horizontal oder vertikal in der Wirbelschicht angeordneten Rohren oder
vertikal in der Wirbelschicht angeordnete Platten, in denen ein
Wärmeträger strömt. Dabei
sind die Wärmeübertragerrohre
oder Wärmeübertragerplatten
innerhalb der Wirbelschicht vorzugsweise derart angeordnet, dass
die Fluidisierung der Wirbelschicht durch den Einbau des Wärmeübertragers
nicht gestört
wird.
Bei
Verwendung von Platten, in denen ein Wärmeträger strömt, sind diese vorzugsweise
durch die gasdurchlässigen
Platten miteinander verbunden, wobei die gasdurchlässigen Platten
vorzugsweise senkrecht zu den Wärmeübertragerplatten
angeordnet sind.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
mit Rohrbündel-Wärmeübertrager
sind die einzelnen vertikal in der Wirbelschicht angeordneten Wärmeübertragerrohre
durch horizontal verlaufende Rohre miteinander verbunden. Die gasdurchlässigen Platten
liegen dann vorzugsweise auf den horizontal verlaufenden Rohren
auf. In einer weiteren Ausführungsform
können
die horizontal verlaufenden Rohre auch in die gasdurchlässigen Platten
integriert sein. Dabei werden von den horizontal verlaufenden Rohren
umschlossene Flächen
mit den gasdurchlässigen Platten
verschlossen.
Der
Wärmeträger ist
so zu wählen,
dass dieser bei den im Wärmeübertrager
auftretenden Temperaturen chemisch und thermisch stabil ist. So
eignen sich als Wärmeträger zum
Beispiel Salzschmelzen oder bevorzugt Flüssigkeiten, die bei der Reaktionstemperatur
im Bereich von bis zu 400 °C
verdampfen. Besonders bevorzugt als Wärmeträger ist Wasser bei einem Druck
von 10 bis 60 bar. Der Vorteil von verdampfenden Flüssigkeiten
als Wärmeträger liegt
darin, dass sich während
der Verdampfung des Wärmeträgers dessen
Temperatur nicht ändert. So
lassen sich im Wärmeübertrager
isotherme Bedingungen herstellen.
Als
Werkstoff für
den Wärmeübertrager
werden vorzugsweise Stahl oder Nickellegierungen eingesetzt. Der
Einsatz von Nickellegierungen erfolgt vorzugsweise dann, wenn eine
Kondensation von Salzsäure
nicht ausgeschlossen werden kann. So kondensiert Wasser zum Beispiel
bei einem Druck von 25 bar bereits bei einer Temperatur von etwa
224 °C.
Mit dem Auftreten von flüssigem
Wasser löst
sich Chlorwasserstoff in diesem unter Bildung von Salzsäure.
Durch
den Einbau der gasdurchlässigen Platten
in die Wirbelschicht wird durch eine gezielte Beeinflussung der
Blasen- und Feststoffbewegung die Gasverweilzeit im Reaktor optimiert.
Die gasdurchlässigen
Platten dienen insbesondere dazu, agglomerierte Gasblasen auseinander
zu reißen
und so dafür
zu sorgen, dass kleinere Gasblasen gleichmäßig im Wirbelschichtgranulat
verteilt sind. Als gasdurchlässige
Platten werden bevorzugt Lochbleche oder gitterförmige Strukturen eingesetzt.
Die Größe der einzelnen Öffnungen
in den gasdurchlässigen Platten
liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 1 bis 100.000 mm2, mehr bevorzugt im Bereich von 5 bis 10.000
mm2, insbesondere im Bereich von 10 bis 1000
mm2.
In
einer weiteren Ausführungsform
sind die gasdurchlässigen
Platten als geordnete oder ungeordnete Gewebestrukturen ausgebildet.
Geordnete Gewebestrukturen sind zum Beispiel gitter- oder netzförmige Strukturen,
ungeordnete Gewebestrukturen sind zum Beispiel Gestricke oder Geflechte.
Die
Größe der Öffnungen
beziehungsweise die Struktur der gasdurchlässigen Platten ist so ausgeführt, dass
eine Blasenkoaleszenz vermieden wird. Entgegen des dem Fachmann
allgemein bekannten Zusammenhangs, dass Störungen der Feststoffbewegung
durch Einbauten zu Verlusten bei der Wärmeübertragungsleistung in der
Wirbelschicht führen,
zeigt sich, dass durch Vermeidung von Blasenkoaleszenz, was zu kleineren
Gasblasen in der Wirbelschicht führt,
der Wärmetransport
innerhalb der Wirbelschicht so verbessert wird, dass dieser die Verluste
durch die Einbauten überwiegt
und so der Wärmetransport
in der Wirbelschicht insgesamt besser wird. Aufgrund der kleineren
Gasblasen wird die Wirbelschicht besser durchmischt, was zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
führt.
Auch wird der Wärmetransport
innerhalb der Wirbelschicht nicht durch große Gasblasen, die isolierend
wirken, behindert. Das führt
weiterhin zu einem verbesserten Wärmetransport an den Wärmeübertrager
und somit zu einer besseren Wärmeabfuhr
aus der Wirbelschicht. Aus diesem Grund lässt sich der Wärmeübertrager
kleiner dimensionieren, was zu Material- und damit Kosteneinsparungen
führt.
Die
gasdurchlässigen
Platten haben vorzugsweise einen Abstand von 5 bis 200 cm, mehr
bevorzugt von 10 cm bis 100 cm und besonders bevorzugt von 20 bis
50 cm.
Die
gasdurchlässigen
Platten sind ebenso wie der Wärmeübertrager
vorzugsweise aus Stahl oder Nickellegierungen ausgeführt. Auch
hier werden Nickellegierungen dann eingesetzt, wenn eine Kondensation
von Salzsäure
nicht ausgeschlossen werden kann.
Die
Wirbelschicht wird vorzugsweise durch eine Reaktorwand gegen die
Umgebung abgegrenzt. Die Reaktorwand ist dabei vorzugsweise gasdicht und
gegen die Umgebung thermisch isoliert ausgeführt. Hierdurch wird beispielsweise
vermieden, dass an der Reaktion beteiligte Gase über die Reaktorwand an die
Umgebung entweichen können.
Durch die thermische Isolierung der Reaktorwand wird verhindert,
dass die Reaktionstemperatur im Randbereich der Wirbelschicht absinkt.
Hierdurch wird gewährleistet,
dass die Reaktion über
den gesamten Bereich der Wirbelschicht gleichmäßig erfolgt. Auch wird durch
die Isolierung der Reaktorwand der sicherheitstechnische Aufwand
reduziert, da außerhalb
des Reaktors keine heißen
Oberflächen
auftreten, die bei Berührung
zu Verbrennungen führen
können.
Die
Reaktorwand ist vorzugsweise zylindrisch ausgeführt, kann jedoch auch jeden
beliebigen anderen Querschnitt annehmen. Die Wandstärke der Reaktorwand
ist vorzugsweise so dimensioniert, dass thermische Spannungen über den
Umfang und die Höhe
der Reaktorwand vermieden werden. Dabei muss gleichzeitig die mechanische
Stabilität
der Reaktorwand gewährleistet
sein.
Als
Material für
die Reaktorwand eignet sich jede metallische Verbindung, bei der
eine Nebenproduktbildung im Reaktor ausgeschlossen werden kann und
die die mechanische Stabilität
gewährleistet.
Bevorzugt wird die Reaktorwand aus Stahl oder Nickellegierungen
gefertigt. Des Weiteren kann die Reaktorwand mit Nickel oder Nickellegierungen
ausgekleidet sein. Dabei werden Nickellegierungen insbesondere dann
verwendet, wenn eine Kondensation von Salzsäure im Reaktor nicht ausgeschlossen werden
kann.
Die
Zufuhr der Eduktgase Chlorwasserstoff und Sauerstoff erfolgt vorzugsweise über eine
unterhalb der Wirbelschicht angeordnete Windbox. Dabei können ein
Chlorwasserstoff enthaltender Gasstrom und ein Sauerstoff enthaltender
Gasstrom getrennt der Windbox zugeführt und in der Windbox vermischt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Mischung jedoch bereits vor der Windbox,
so dass ein Chlorwasserstoff und Sauerstoff enthaltender Gasstrom
zugeführt wird.
Die
Gaszufuhr zur Windbox kann an der Unterseite der Windbox, seitlich
oder tangential erfolgen. Bei tangentialer Gaszufuhr bildet sich
innerhalb der Windbox ein Wirbel aus. Bei der Gaszufuhr von unten
erfolgt die Zufuhr vorzugsweise zentrisch. Die Wind box kann jede
beliebige dem Fachmann bekannte Form annehmen. Bei Verwendung eines
Wirbelschichtreaktors mit kreisförmigem
Querschnitt ist die Windbox vorzugsweise rund-gewölbt, konisch oder
zylindrisch ausgeführt.
Als
Material für
die Windbox eignen sich alle metallischen Verbindungen, bei denen
eine Nebenproduktbildung ausgeschlossen werden kann und die mechanische
Stabilität
gewährleistet
ist. Neben metallischen Werkstoffen kann die Windbox jedoch auch aus
keramischen Werkstoffen gefertigt sein.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Edukt-Gasstrom zentrisch von unten in die Windbox geleitet.
Die Windbox ist dabei rund-gewölbt
und so ausgeführt,
dass plötzliche
Querschnittserweiterungen vermieden werden. Durch die Vermeidung von
Kanten innerhalb der Windbox werden Verwirbelungen unterbunden,
die zu Erosion an der Windbox-Innenwand führen können.
Um
die Gleichverteilung des Gasstroms in der Windbox zu verbessern
und zu gewährleisten, dass
das Gas gleichmäßig in die
Wirbelschicht strömt,
ist in der Windbox in einer bevorzugten Ausführungsform eine Prallvorrichtung
angeordnet, gegen welche das einströmende Gas strömt. Die
durch die Prallvorrichtung erzwungene Umlenkung des Gasstromes führt zu einer
Dissipation des Impulses des einströmenden Eduktgases. Die Prallvorrichtung ist
vorzugsweise als einfache Platte, in Form eines Trichters oder rund-gewölbt ausgeführt. Die
Prallplatte besteht wie alle anderen Oberflächen, die mit den Reaktionsgasen
in Kontakt kommen können,
vorzugsweise aus Stahl oder Nickellegierungen. Dabei werden die
Nickellegierungen eingesetzt, wenn eine Kondensation von Salzsäure nicht
ausgeschlossen werden kann.
An
die Windbox schließt
sich ein Gasverteiler an, über
den der Gasstrom in die Wirbelschicht geleitet wird. Der Gasverteiler
ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass eine gleichmäßige Gasverteilung über dem
Querschnitt gewährleistet
ist.
Als
Gasverteiler eignen sich zum Beispiel Lochböden oder in einem Boden verteilte
Gasverteilerdüsen.
Bei
Verwendung einer Windbox für
die Gaszufuhr zur Wirbelschicht ist der Gasverteiler vorzugsweise
die Begrenzung zwischen der Windbox und der Wirbelschicht.
Neben
der Gaszufuhr über
die Windbox kann das Gas auch ohne Verwendung einer Windbox direkt
der Wirbelschicht zugeführt
werden. Dazu ist der Gasverteiler vorzugsweise als ein Rohrleitungssystem
ausgeführt, über welches
das Gas in die Wirbelschicht strömt.
Die
katalytische Chlorwasserstoff-Oxidation wird bevorzugt isotherm
oder annähernd
isotherm in der Wirbelschicht bei Reaktortemperaturen von 180 bis
500 °C,
bevorzugt 200 bis 450 °C,
besonders bevorzugt 300 bis 400 °C
und einem Druck von 1 bis 25 bar, bevorzugt 1,2 bis 20 bar, besonders
bevorzugt 1,5 bis 17 bar und insbesondere 2,0 bis 15 bar durchgeführt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren
können
grundsätzlich
alle bekannten Katalysatoren für die
Oxidation von Chlorwasserstoff zu Chlor eingesetzt werden, beispielsweise
die eingangs beschriebenen, aus DE-A 197 48 299 oder DE-A 197 34
412 bekannten Katalysatoren auf Basis von Ruthenium. Weiterhin geeignet
sind auch die in DE-A 102 44 996 beschriebenen Katalysatoren auf
Basis von Gold, enthaltend auf einem Träger 0,001 bis 30 Gew.-% Gold,
0 bis 3 Gew.-% eines oder mehrerer Erdalkalimetalle, 0 bis 3 Gew.-%
eines oder mehrerer Alkalimetalle, 0 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer
Seltenerd-Metalle und 0 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer
Metalle, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium,
Silber, Kupfer und Rhenium, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht
des Katalysators.
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
enthält
das zur Bildung der Wirbelschicht verwendete Granulat den heterogenen
Katalysator. Hierzu bilden vorzugsweise die einzelnen Körner des Wirbelschichtgranulates
die Katalysatorträger,
die mit Aktivmasse getränkt
sind. Als Trägermaterialien eignen
sich beispielsweise Siliciumdioxid, Graphit, Titandioxid mit Rutil-
oder Anatas-Struktur, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische,
bevorzugt Titandioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid oder deren Gemische,
besonders bevorzugt γ-
oder δ-Aluminiumoxid
oder deren Gemische.
Die
Kupfer- bzw. die Rutheniumträgerkatalysatoren
können
beispielsweise durch Tränkung
des Trägermaterials
mit wässrigen
Lösungen
von CuCl2 bzw. RuCl3 und
gegebenenfalls eines Promotors zur Dotierung, bevorzugt in Form
ihrer Chloride, erhalten werden. Die Formgebung des Katalysators
kann nach oder bevorzugt vor der Tränkung des Trägermaterials
erfolgen.
Zur
Dotierung eignen sich als Promotoren Alkalimetalle wie Lithium,
Natrium, Kalium, Rubidium und Caesium, bevorzugt Lithium, Natrium
und Kalium, besonders bevorzugt Kalium, Erdalkalimetalle wie Magnesium,
Calcium, Strontium und Barium, bevorzugt Magnesium und Calcium,
besonders bevorzugt Magnesium, Seltenerdmetalle wie Scandium, Yttrium,
Lanthan, Cer, Brasiodym und Neodym, bevorzugt Scanium, Yttrium,
Lanthan und Cer, besonders bevorzugt Lanthan und Cer, oder deren
Gemische.
Die
Granulatkörner
können
anschließend
bei Temperaturen von 100 bis 400 °C,
bevorzugt 100 bis 300 °C,
beispielsweise unter einer Stickstoff-, Argon- oder Luftatmosphäre getrocknet
und gegebenenfalls kalziniert werden. Bevorzugt werden die Granulatkörner zunächst bei
100 bis 150 °C
getrocknet und anschließend
bei 200 bis 400 °C
kalziniert.
Neben
dem mit Aktivmasse getränkten
Wirbelschichtgranulat können
in der Wirbelschicht auch zusätzlich
Granulatkörner
aus inertem Material vorliegen. Als Inertmaterial können zum
Beispiel Titandioxid, Zirkondioxid oder deren Gemische, Aluminiumoxid,
Steatit, Keramik, Glas, Graphit oder Edelstahl verwendet werden.
Dabei haben die Granulatkörner aus
Inertmaterial vorzugsweise ähnliche äußere Abmessungen
wie die mit Aktivmasse getränkten
Granulatkörner.
Oberhalb
der Wirbelschicht befindet sich eine Entmischungszone, in der sich
das fluidisierte Wirbelschichtgranulat von der Gasphase trennt.
Um das Gas möglichst
feststofffrei aus dem Wirbelschichtreaktor abzuziehen, sind in der
Entmischungszone in einer bevorzugten Ausführungsform Feststoffabscheider
eingesetzt, die den Grad der Feststoffabscheidung erhöhen.
Dabei
sind die Feststoffabscheider vorzugsweise in einer Höhe angeordnet,
die oberhalb der Austragshöhe
der Granulatkörner
liegt, die beim Austritt der Gasblasen aus der Wirbelschicht emporgeschleudert
werden. Durch den entsprechenden Abstand zwischen der Wirbelschicht
und den Feststoffabscheidern wird somit die notwendige Abscheideleistung
der Feststoffabscheider minimiert.
Als
Feststoffabscheider eignen sich zum Beispiel Zyklone oder Filterkerzen.
Zur
Reduzierung der Leerrohrgasgeschwindigkeit in der Entmischungszone
wird dieser Bereich konisch erweitert. Hierdurch kann die notwendige Abscheideleistung
der Feststoffabscheider weiter reduziert werden.
Als
Material für
die Entmischungszone und den mindestens einen Feststoffabscheider
werden vorzugsweise metallische Verbindungen eingesetzt, bei denen
eine Nebenproduktbildung ausgeschlossen werden kann und welche die
notwendige mechanische Stabilität
gewährleisten.
Besonders bevorzugte Werkstoffe für Feststoffabscheider und Entmischungszone
sind Stahl oder Nickellegierungen. Geeignete Nickellegierungen sind
zum Beispiel Hasteloy-Werkstoffe oder Inconell. Diese werden dann eingesetzt,
wenn eine Kondensation von Salzsäure nicht
ausgeschlossen werden kann.
Bei
dem Einsatz von Filterkerzen zur Feststoffabscheidung können neben
den geeigneten Metallverbindungen auch Keramikwerkstoffe eingesetzt werden.
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Darin
zeigt:
1 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wirbelschichtreaktor,
2 einen
Schnitt entlang der Linie AA in 1,
3 einen
Schnitt entlang der Linie BB in 1,
4 das
Detail C aus 1,
5 einen
Schnitt entlang der Linie DD in 1.
1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wirbelschichtreaktor
in schematischer Darstellung.
Ein
Reaktor 1 umfasst eine Wirbelschicht 2, eine Windbox 3,
einen Gasverteiler 4, eine Entmischungszone 5 und
mindestens einen Feststoffabscheider 6. Die Eduktgase werden
der Windbox 3 zugeführt.
Die Gaszufuhr ist hier mit dem Pfeil 7 gekennzeichnet.
Die Gaszufuhr zur Windbox 3 kann dabei wie hier dargestellt
von unten oder aber seitlich erfolgen. Dabei können der chlorwasserstoffhaltige Gasstrom
und der sauerstoffhaltige Gasstrom vor der Windbox 3 gemischt
werden oder aber getrennt der Windbox 3 zugeführt werden.
Bei getrennter Zufuhr erfolgt die Mischung dann in der Windbox 3.
Von der Windbox 3 strömt
das Gas über
den Gasverteiler 4 in die Wirbelschicht 2. Aufgabe
des Gasverteilers 4 ist dabei, dass das Gas gleichmäßig in die
Wirbelschicht 2 einströmt
und so eine gute Durchmischung von Gas und Feststoff in der Wirbelschicht 2 erreicht
wird. Der Gasverteiler 4 kann dabei ein Lochboden oder ein
Boden mit darin verteilten Gasverteilerdüsen sein.
In
der Wirbelschicht 2 erfolgt die Umsetzung des Chlorwasserstoffs
und Sauerstoffs zu Chlor und Wasser. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei,
die über
einen Wärmeübertrager 9 abgeführt wird.
Hierdurch wird gewährleistet,
dass die Reaktion bei isothermen oder nahezu isothermen Bedingungen
abläuft.
Über mindestens
einen Wärmeträgerzulauf 10 wird
dem Wärmeübertrager 9 ein
Wärmeträger zugeführt. Der
Wärmeträger strömt über mindestens ein
Wärmeträgerzulaufrohr 18 in
mindestens einen Wärmeträgerverteiler 11.
Bei dem hier dargestellten Wärmeübertrager 9 befindet
sich der Wärmeträgerzulauf 10 im
oberen Bereich der Wirbelschicht 2. Der Wärmeträgerzulauf 10 kann
jedoch auch in jeder beliebigen anderen Höhe der Wirbelschicht 2 angeordnet
sein.
Von
dem mindestens einen Wärmeträgerverteiler 11 zweigen
vertikal in der Wirbelschicht positionierte Wärmeübertragerrohre 15 ab.
Zur Vergrößerung der
Wärmeübertragungsfläche sind
die Wärmeübertragerrohre 15 mit
Querrohren 16 verbunden. Dabei werden die Querrohre 16 ebenfalls
mit dem Wärmeträger durchströmt. Bei
Verwendung eines Wärmeträgers, der
durch die Aufnahme der bei der Reaktion freigesetzten Wärme verdampft,
sind die Querrohre 16 vorzugsweise leicht gegen die Horizontale
geneigt, damit sich in den Querrohren 16 keine Dampfpfropfen
bilden können,
die das Querrohr 16 verstopfen. Der Winkel, mit dem die
Querrohre 16 gegen die Horizontale geneigt sind, ist vorzugsweise < 10 °, mehr bevorzugt < 5 ° und besonders
bevorzugt < 2 °.
Beim
Einsatz von Wärmeübertragern 9,
bei denen die Anzahl der Wärmeträgerzuläufe 10 und der
Wärmeträgerverteiler 11 nicht übereinstimmt, sind
die Wärmeträgerverteiler 11 vorzugsweise über einen
Flüssigkeitssammler 12 miteinander
verbunden, über
den der Wärmeträger in die
Wärmeträgerverteiler 11 verteilt
wird.
An
dem dem Wärmeträgerverteiler 11 gegenüberliegenden
Ende münden
die Wärmeübertragerrohre 15 in
mindestens einen Dampfsammler 13. Wenn der Wärmeübertrager 9 mehrere
Dampfsammler 13 umfasst, sind diese vorzugsweise mit einem Dampfabzug 14 verbunden. Über den
Dampfabzug 14 wird der verdampfte Wärmeträger aus dem Wärmeübertrager 9 abgezogen.
Der Wärmeträger wird dann
vorzugsweise einem weiteren Wärmeübertrager
zugeführt,
in dem er wieder auskondensiert, um so erneut dem Wärmeübertrager 9 in
flüssiger
Form zugeführt
werden zu können.
Auf diese Weise lässt sich
ein geschlossener Wärmeträgerkreislauf
realisieren.
Zur
weiteren Vergrößerung der
Wärmeübertragungsfläche und
um eine gleichmäßige Gasblasenverteilung
in der Wirbelschicht zu erreichen, sind in der Wirbelschicht quer
zur Strömungsrichtung
des Gases gasdurchlässige
Platten 17 aufgenommen. Die gasdurchlässigen Platten 17 sind
wärmeleitend mit
den Wärmeübertragerrohren 15 verbunden.
Die Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise stoffschlüssig durch
Schweißen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die gasdurchlässigen
Platten 17 mit den Querrohren 16 stoffschlüssig, zum
Beispiel durch Schweißen,
verbunden. Die gas durchlässigen Platten 17 sind
vorzugsweise als Lochblech oder als geordnete oder ungeordnete Gewebestruktur
ausgebildet.
An
die Wirbelschicht 2 schließt sich die Entmischungszone 5 an.
In einer bevorzugten Ausführungsform
nimmt in Strömungsrichtung
des Gases der Querschnitt der Entmischungszone 5 zu. Die
Entmischungszone 5 beschreibt den Bereich, in dem sich
das Wirbelschichtgranulat vom Gas trennt. Zur Abtrennung von Granulatkörnern, die
mit dem Gasstrom mitgerissen werden, ist vorzugsweise im oberen
Bereich der Entmischungszone 5 mindestens ein Feststoffabscheider 6 angeordnet.
Neben der in 1 dargestellten Ausführungsform,
bei der der mindestens eine Feststoffabscheider 6 innerhalb
des Reaktors 1 angeordnet ist, kann der mindestens eine Feststoffabscheider 6 auch
außerhalb
des Reaktors 1 angeordnet sein. Mit dem Pfeil 8 ist
die sich an den mindestens einen Feststoffabscheider 6 anschließende Produktabfuhr
gekennzeichnet.
2 zeigt
einen Schnitt in Draufsicht entlang der Linie AA in 1.
In der hier dargestellten Ausführungsform
ist der Reaktor 1 durch eine Reaktorwand 21 mit
kreisförmigem
Querschnitt begrenzt. Die Reaktorwand 21 ist vorzugsweise
isoliert, damit nur ein geringer Wärmestrom über die Reaktorwand 21 abgeführt wird.
Dies dient gleichzeitig der Betriebssicherheit, da so vermieden
wird, dass die Reaktorwand 21 an ihrer Außenseite
zu warm wird und so bei Berührung
zu Verbrennungen führen
kann. Die bei der Reaktion entstehende Wärme wird über den Wärmeübertrager 9 abgeführt. Über die
Temperiermediumszuläufe 10 wird
in Richtung der Pfeile 19 das Temperiermedium zugeführt. Das
Temperiermedium strömt über die
in 3 dargestellten Temperiermediumszulaufrohre 18 zu
den Temperiermediumsverteilern 11. In den ebenfalls in 3 dargestellten
Wärmeübertragerrohren 15 strömt das Temperiermedium
in Richtung der in 2 dargestellten Dampfsammler 13.
Durch die Wärmeaufnahme
verdampft das Temperiermedium in den Wärmeübertragerrohren 15.
In den Dampfsammlern 13 wird das verdampfte Temperiermedium
gesammelt und dem Dampfabzug 14 zugeführt. Aus dem Dampfabzug 14 wird
das dampfförmige
Temperiermedium aus dem Wärmeübertrager 9 abgezogen.
Dies ist durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet.
Um
zu verhindern, dass Gasblasen innerhalb der Wirbelschicht 2 agglomerieren
und um eine gleichmäßige Durchmischung
der Wirbelschicht 2 zu erreichen, sind in den 2 und 3 gitterförmig ausgebildete
gasdurchlässige
Platten 17 dargestellt.
4 zeigt
das in 1 mit C gekennzeichnete Detail. Die vertikal verlaufenden
Wärmeübertragerrohre 15 sind
vorzugsweise in regelmäßigen Abständen durch
die Querrohre 16 miteinander verbunden. Dabei entsprechen
die Abstände
vorzugsweise den Abständen,
in denen die gasdurchlässigen
Platten 17 angeordnet sind. Die Querrohre 16 sind
vorzugsweise stoffschlüssig
mit den Wärmeübertragerrohren 15 verbunden.
Die Verbindung kann jedoch auch kraftschlüssig zum Beispiel durch Rohrschellen oder
beliebige andere dem Fachmann bekannte Rohrverbindungen erfolgen.
Die gasdurchlässigen Platten 17 sind
vorzugsweise wärmeleitend
mit den Querrohren 16 verbunden. Dazu können die gasdurchlässigen Platten 17 wie
hier dargestellt oberhalb der Querrohre 16 angeordnet sein,
jedoch ist auch eine Anordnung denkbar, bei der die gasdurchlässigen Platten 17 unterhalb
der Querrohre 16 angeordnet sind oder die gasdurchlässigen Platten 17 von den
Querrohren 16 durchzogen werden.
Der
Wärmeträger strömt vorzugsweise
von den vertikal verlaufenden Wärmeübertragerrohren 15 in
die Querrohre 16. Um zu vermeiden, dass sich bei Verdampfen
des Wärmeträgers Dampfpfropfen
in den Querrohren 16 bilden, die die Querrohre 16 verstopfen,
sind die Querrohre 16 vorzugsweise leicht geneigt angeordnet.
5 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie DD in 1.
5 ist
zu entnehmen, dass die Wärmeträgerzulaufrohre 18 nicht über Querrohre 16 mit
den Wärmetauscherrohren 15 verbunden
sind. Hierdurch wird gewährleistet,
dass kein verdampfter Wärmeträger in die
Wärmeträgerzulaufrohre 18 strömen kann. Weiterhin
wird so gewährleistet,
dass der gesamte Wärmeträger über die
Wärmeträgerverteiler 11 in
die Wärmeübertragerrohre 15 gelangt.
Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung und Wärmeträgerverteilung
im Wärmeübertrager 9 erreicht.
In der hier dargestellten Ausführungsform
ist zu sehen, dass jeweils alle Wärmeübertragerrohre 15 durch
die Querrohre 16 miteinander verbunden sind.
Entsprechend
der in den 2 und 3 dargestellten
Querschnitte ist auch der hier dargestellten Ausführungsform
eine gitterförmig
ausgebildete gasdurchlässige
Platte 17 zu entnehmen.