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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schüttgutfließaktivierung und zum Behandeln,
beispielsweise Mischen, Homogenisieren, Erwärmen, Trocknen, Entgasen und
dergleichen Prozesse, fein- und feinstteiliger Feststoffe, wie Pulver,
Stäube
und Granulate. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens angegeben.
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Üblicherweise
werden zum Fluidisieren und Behandeln von feinteiligen Feststoffen
verschiedene pneumatische Verfahren, wie Wirbel- und Fließbettverfahren,
sowie mechanische Verfahren, wie Förderschnecken und Vibrationsapparate,
eingesetzt. Bekannt ist auch die Fluidisierung von feinkörnigen Schüttungen
durch Einblasen von Luft/Chemie Technik 28 (1999), Nr. 7, S. 46-49/.
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Die
effiziente Anwendung dieser Verfahren und Vorrichtungen wird wesentlich
von den Produkteigenschaften, wie Partikelgröße, Kohäsion und Fließfähigkeit,
bestimmt. Typische Verfahren zur Fluidisierung von Pulver, Staub
und Granulat in Behandlungsräumen
sind gemäß dem Stand
der Technik das Wirbelschicht- und das Fließbettverfahren. Eine Spezialform
der Wirbelschicht mit prozesstechnischen Vorteilen bei schwierigen
Schüttgütern ist
die Strahlschicht/Chemie-Ing. Technik 75 (2003), S.1329-1336/. So wird z.
B. beim Airmix-Mischer das rieselfähige Schüttgut mit Hilfe von gerichteten Druckgasstrahlen
gemischt bzw. homogenisiert. Dieses Verfahren setzt bestimmte Stoffeigenschaften des
Schüttgutes
voraus und hat einen relativ großen Gasverbrauch/Chemie Technik
32 (2003), Nr. 12, S 64-65/.
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Bei
thermischen Behandlungsprozessen von hochdispersen Feststoffen wird
das zu behandelnde Schüttgut
von unten nach oben mit einem Gas durchströmt, wobei das Gut, abhängig vom
Gasdurchsatz und den Guteigenschaften mehr oder weniger fluidisiert
bzw. aufwirbelt. Zum Trocknen von Feingut sind verschiedene Bauformen
von Wirbel- oder Fließbetttrockner
bekannt /Chem.-Ing.Techn. 67(1995), Nr. 4, S 401 – 416/.
Der Trocknungsprozess kann energetisch und belastungsmäßig effektiviert
werden, wenn die Schüttschicht
durch mechanische Vibratoren oder pneumatisch in Schwingungen versetzt
wird /
DE 10236991
A1 /.
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Für den Transport
von fein- und feinstteiligen Feststoffen werden auch pneumatische
Saugförderer
eingesetzt. Die Saugwirkung wird durch ein gezielt angelegtes Vakuum erreicht.
Der Feststoff wird so fluidisiert und somit der Fördereffekt
ermöglicht. Für einen
prozesssicheren Betrieb sind komplizierte und kostenaufwendige Konstruktionen
erforderlich/Chemie Technik 27 (1988), Nr. 11, S 76-78/.
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Alle
diese Verfahren weisen bei ihrer praktischen Nutzung einen oder
mehrere der folgenden Nachteile auf: komplizierte Konstruktion,
hohe Gas- und Energievrerbräuche,
beschränkter
Einsatz bei ungünstigen
Schüttungseigenschaften
sowie unflexibler und aufwendiger Betrieb.
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Im
Sinn der Weiterentwicklung des Standes der Technik derartiger Verfahren
und Anlagen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren
zur Fluidisierung und zur prozesstechnischen Behandlung von feinkörnigen Feststoffen
in Schüttungen
bei niedrigem Energiebedarf zu bieten und eine Vorrichtung zur unkomplizierten
Durchführung
des Verfahrens zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wurde, wie im folgenden beschrieben, gelöst.
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Die
feinkörnige
Schüttung
im Behandlungsraum wird durch eine Beaufschlagung mit periodisch gepulstem
Druckgas in eine periodische Auf- und Abbewegung versetzt. Das pulsierende
Druckgas wird dabei über
ein unten offenes Pulsrohr (2), welches sich bis zu einer
bestimmten Tiefe in der Schüttung befindet,
zugeführt.
Es können
auch mehrere Pulsrohre sein, die vorzugsweise konzentrisch angeordnet
sind. Das oder die Pulsrohre können
aber auch seitlich in den unteren Teil des Behandlungsraumes eingeführt werden.
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Der
Behandlungsraum ist oben verschlossen und hat eine oder mehrere
Gasaustrittsöffnungen (12),
die eine geregelte Gasabführung
erlauben und eine Gasdruckerhöhung
im Behandlungsraum ermöglichen.
Der Gasraum oberhalb der Schüttung
(4) und die Gaseinschlüsse
in der Schüttung
wirken als Gaspolster bei der Initiierung und Aufrechterhaltung einer
systemspezifischen periodischen Auf- und Abbewegung der Schüttung. Die
periodische Pulsation ist u. a. dadurch gekennzeichnet, dass das
Gas des Eintrittsimpulses sich zu einem bestimmten Teil, als Folge
der Abwärtsbewegung
des Feststoffes, durch das Pulsrohr über den Weg (8) aus
dem Apparat geführt
wird. Der andere Teil wird durch die Schüttung (1) und den
Filter (12) als Abgas (10) abgeleitet. Durch die
quasikontinuierliche Gasströmung
von (7) nach (10) werden auch Verunreinigungen
und Ablagerungen durch das Gut im Pulsationssystem verhindert.
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Das
Pulsrohr kann unten einen glatten Rand haben, jedoch ist für die Zielstellung
der Erfindung förderlich
eine kronenförmige
oder ähnliche
Gestalt (3) mit zwei oder mehreren Aussparungen. Durch
die damit verbundene Strahlwirkung wird eine größere Wirkung in der gewünschten
Weise erreicht.
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Zur
besseren Richtungslenkung des Druckgasimpulses und zum Zweck einer
Feststoffbewegung kann der untere Teil des Behandlungsraumes (5)
konisch gestaltet sein.
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Weiterhin
können
Einbauten, wie Leitbleche (13), Führungsrohr oder statischer
Mischer, zur Richtungslenkung, Zirkulation oder Mischung im Behandlungsraum
integriert sein.
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Bei
guter Platzierung des Pulsrohres (2) und richtiger Wahl
der Pulsationsbedingungen gelingt es, die Schicht aufzulockern und
die Feststoffteilchen zu bewegen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Gestaltung
des Behandlungsraumes, Konstruktion und Anordnung des Pulsrohres,
und der richtigen Bemessung der Pulsation (Frequenz, Impulsstärke), des
oberen Gasraumes sowie des Abgasstromes kann eine für den jeweiligen
Prozess hinreichende Relativgeschwindigkeit zwischen den Feststoffteilchen
erzielt und auf dieser Basis letztlich eine Zirkulation, Mischung
und Gleichverteilung des Feststoffes im Behandlungsraum erreicht
werden. In den Abgasstrom kann ein üblicher Staubfilter eingefügt werden.
In diesem Fall kann ein kleiner Teilstrom des gepulsten Gases zur
periodischen Abreinigung des Filters genutzt werden.
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Die
positive Wirkung bei der Anwendung der Pulsationsfluidisierung ist
folglich an die erfinderische Gestaltung des Behandlungsraumes und
des Pulsrohres sowie die Handhabung der Pulsation gebunden. Beim
kontinuierlichen Betrieb kann auch der Feststoffeintrag über das
Pulsrohr realisiert werden. Vorteilhaft dabei wäre die portionierte Feststoffzuführung im
Takt des Druckgaspulses.
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Abweichend
von der hier beschrieben Gestaltung kann die Druckgasbeaufschlagung
auch von unten über
ein sich im Boden des konischen Behandlungsraumes befindlichen Gaseintrittsanschlusses erfolgen.
Hierbei entfällt
das Pulsrohr.
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Die
Erfindung ist auch zur Eindampfung und Trocknung von hochdispersen
Suspensionen geeignet.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungs- und Anwendungsbeispiele
näher erläutert.
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Die
Prinzipgestaltung der erfinderischen Vorrichtung ist mit der Zeichnung
1 gegeben.
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Die
in der Zeichnung enthaltenen Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:
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- 1
- Schüttung
- 2
- Pulsrohr
- 3
- geformter
Rand des Pulsrohres
- 4
- oberer
Gasraum
- 5
- Korpus
mit konischem Teil
- 6
- Kopf,
Deckel
- 7
- Druckgasversorgung
- 8
- Pulsrückgas
- 9
- Pulssteuerung
- 10
- Abgas
aus der Schüttung
- 11
- Abgassteuerung
- 12
- Abgasöffnung mit
Staubfilter
- 13
- Einbauten,
Leitbleche
- 14
- zusätzliche
Begasung
- 15
- Gaseintritt
und -verteilung
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Die
apparative Gestaltung umfaßt
im wesentlichen folgende Teile: das unten offene Pulsrohr (2),
die Druckgasversorgung (7) und Pulssteuerung (9)
zur Beaufschlagung der Pulverschüttung
mit gepulstem Druckgas, den zylindrischen Korpus mit konischem Boden
(5) zur Richtungsgebung der Fluidbewegung, die Gestaltung
der unteren Öffnung
des Pulsrohres (3) und der Gasabführungsöffnungen (12) im Kopfbereich.
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Der
optimale Abstand des unteren Endes des Pulsrohres zum Apparateboden
hängt von
der Größe und der
Dichte des Feststoffes sowie von der Impulsstärke ab.
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Die
Druckgaspulsation im Arbeitsraum wird durch eine mittels Ventilen
gesteuerte pulsartige Zuführung
und Ableitung von Druckgas (7, 8) realisiert. Der
Pulsgeber und der Behandlungsapparat sind über eine starre oder flexible
Leitung miteinander verbunden. Weiterhin kann bei sehr schwer fluidisierbaren
Schüttungen
zusätzlich
in den Boden des Apparates ein Gasstrom zugeführt werden (14, 15).
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Die
in Rede stehenden Prozesse können,
im Vergleich zu den Umgebungsbedingungen, bei erhöhtem Druck
und/oder erhöhter
Temperatur durchgeführt
werden. Weiterhin können
die oben bezeichneten Prozesse diskontinuierlich und kontinuierlich betrieben
werden.
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Die
Anwendung des erfinderischen Verfahrensprinzips wird nachfolgend
anhand von zwei Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Beispiel 1: Fluidisieren
und Mischen von Kalk- und Zementpulver.
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In
ein Behandlungsgefäß entsprechend
der Zeichnung 1 mit 4 Liter Nutzvolumen wurden 3,4 Liter Pulver,
6 Teile Kalk (weiß)
und 4 Teile Zement (grau) übereinander
geschichtet. Der untere Teil des Gefäßes war konisch gestaltet und hatte einen Innendurchmesser
von 100mm. Der Winkel des konischen Gefäßteils betrug 45°. Das Pulsrohr
hatte einen Durchmesser von 25 mm und war unten kronenartig gestaltet.
Es war praktisch bis auf den konischen Boden in die Schüttung eingeführt. Durch
den Deckel ist das Pulsrohr in den Behandlungsraum eingeführt worden.
Daneben hatte der Deckel drei Abgasöffnungen, die mit einem Staubfilter
bestückt
waren. Als Pulsationsgas wurde Luft verwendet. Die gepulste Druckluft
konnte im wesentlichen nur durch die kronenartigen Aussparungen
im unteren Rand des Pulsrohres in die Schüttung gelangen. Die Pulsation
wurde mit Hilfe von gesteuerten Elektromagnetventilen in den Gaswegen
(7) und (8) erzeugt. Die Öffnungs- und Schließzeiten
der Ventile waren so gewählt,
dass eine optimale Pulsation in der Schüttung möglich war. Der Luftdruck vor
den Ventilen betrug 2 bar und der Überdruck im oberen Gasraum
(4) etwa 50 mbar im Ausgangszustand. Es wurde bei einer
Pulsationsfrequenz von 2,5 s–1 gearbeitet. Der Gesamtluftverbrauch
betrug 1,3 m3 h–1.
Der Abgasstrom über
den Weg (10) hatte einen Anteil von ca. 40% der Pulsationseintrittsluft.
Die untere Begasung (14) wurde nicht verwendet.
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Nach
einer Betriebszeit von kleiner 2 Minuten war der Feststoff stabil
fluidisiert und nahezu bis zum Deckel des Gefäßes aufgewirbelt. Es zeigten sich
mehrere Bereiche mit intensiver Pulverbewegung und Zirkulation.
Nach weiteren 15 Minuten war eine gute Mischung von Kalk und Zement
festzustellen, u.a. ersichtlich an der relativ gleichmäßigen Graufärbung.
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Beispiel 2: Fluidisieren
und Mischen von Weizenmehl und Paprikapulver.
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In
ein Behandlungsgefäß entsprechend
der Zeichnung 1 mit 4 Liter Nutzvolumen wurden 2 kg handelsübliches
Mehl eingefüllt.
Auf das Mehl wurden ca. 100 g handelsüblicher roter Gewürzpaprika als
Markierungssubstanz aufgegeben.
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Die
Apparatur und die Pulsationseinrichtung waren wie in Beispiel 1
beschrieben. Die Druckluftpulsation wurde mit einer Frequenz von
4 s–1 und
einem Druckluftverbrauch von 1,1 m3 h–1 realisiert.
Der Abgasstrom über
den Weg (12-10) betrug etwa 30% der zugeführten Pulsationsluft. Nach
einer Betriebszeit von weniger als 1 Minute war das Mehl stabil
aufgewirbelt und fluidisiert. Die Zunahme der Schichthöhe betrug
ca. 20 %. Nach weiteren 10 Minuten war ein vollständiger Eintrag
des roten Paprikapulvers erfolgt. Durch die gleichmäßig rötliche Färbung war dann
eine gute Mischung von Mehl und Paprika erkennbar.