DE102006006379A1 - Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung von Stoffen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung aus mehreren mit Austrittsöffnungen (4) versehenen, über einen zentralen Hohlkörper (5) miteinander verbundenen Hohlkörpern (6) zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen in einem anderen flüssigen und/oder gasförmigen und/oder festen Stoffe oder Stoffgemisch in zylindrischen Apparaturen, wobei die Mittellinien der mit dem zentralen Hohlkörper (5) verbundenen Hohlkörper (6) in etwa die Form einer Evolvente beschreiben.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung aus mehreren mit Austrittsöffnungen versehenen, über einen zentralen Hohlkörper miteinander verbundenen Hohlkörpern, zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen in einem anderen flüssigen und/oder gasförmigen und/oder festen Stoff oder Stoffgemisch in zylindrischen Apparaturen.
• Das Erfordernis einer gleichmäßigen Aufgabe von Stoffen mit verschiedenen Agregatzuständen in anderen Stoffen ist in der Technik eine häufige Aufgabenstellung. Insbesondere bei Mehrphasenoxidationsreaktionen im Wirbelbett ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung des zu oxidierenden Stoffes im Reduktionsgas von größter Wichtigkeit. Eine inhomogene Verteilung führt in Wirbelbettreaktoren zu örtlichen Über- bzw. Unteroxidationsreaktionen, was niedrigere Ausbeuten zur Folge hat. Im Extremfall können diese Inhomogenitäten des Reaktionsgases zu lokalen Überhitzungen bis hin zu Explosionen im Reaktor führen.
• Beispielhaft für Mehrphasenoxidationsreaktionen im Wirbelbett seien hier die Herstellung von Acrylnitril und Maleinsäureanhydrid genannt. In beiden Fällen dient Luft als Reduktionsgas. Die aufgegebene Luft erzeugt zusammen mit dem im Reaktor befindlichen Katalysator ein Wirbelbett. In dieses Wirbelbett werden die zu oxidierende Stoffe mit Hilfe von Verteilern aufgegeben. Im Falle von Acrylnitril sind dies Propylen und/oder Propan und Ammoniak, bei der Herstellung von Maleinsäureanhydrid ist es Butan.
• Ebenfalls in einem Wirbelbett erfolgt die Umsetzung von Harnstoff zu Melamin. Auch hier wird mit Hilfe eines Gases und eines Katalysators in einem Reaktor ein Wirbelbett erzeugt, in das der flüssige Harnstoff eingedüst wird. Anders als bei den beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Acrylnitril und Maleinsäureanhydrid wird der Harnstoff nicht mit Luft oxidiert, sondern er reagiert mit Hilfe des Katalysators in einem ersten Schritt zu Isozyansäure und Ammoniak. In einem zweiten Schritt reagiert die gebildete Isozyansäure zu Melamin und Kohlendioxid. Eine unzureichende Verteilung führt in diesem System ebenfalls zu geringeren Ausbeuten.
• Zur Verteilung von gasförmigen und flüssigen Stoffen in anderen gasförmigen, flüssigen oder festen Stoffen, sind dem Fachmann eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt.
• In der Veröffentlichung „Fluidization Engineering", Second Edition von Daizo Kunii und Octave Levenspiel aus dem Jahr 1991 ist auf Seite 98 in Bild 4 eine typische Vorrichtung zur Verteilung eines Gases in einem Wirbelbettreaktor dargestellt. Von einem Zentralrohr gehen mehrerer Rohre, die mit Austrittsöffnungen für das zu verteilende Gas versehen sind, horizontal in beide Richtungen ab. Dabei besitzen die abgehenden Rohre unterschiedliche Längen, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung über den zylindrischen Querschnitt des Wirbelbettreaktors zu erreichen. Ein derartiger Verteiler ist in 1 schematisch dargestellt. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die abgehenden Rohre unterschiedliche Längen aufweisen, wodurch es beim Durchströmen des Verteilersystems mit Gas zu unterschiedlichen Druckverlusten in den einzelnen Rohrabschnitten kommt, die einer gleichmäßigen Gasverteilung über das Gesamtsystem entgegenstehen.
• Ein weiterer gebräuchlicher Verteilertyp ist schematisch in 2 dargestellt. Bei diesem Typ gehen von einem Zentralrohr mehrere gleichlange Rohre radial sternförmig ab, die sich auf einer Ebene befinden und untereinander in Bezug auf das Zentralrohr den gleichen Winkel besitzen. Die abgehenden Rohre sind mit Austrittsöffnungen für das zu verteilende Gas versehen. Zwar herrscht in diesem Verteiler, im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten, aufgrund der gleichmäßigen Längen der abgehenden Rohre bei der Durchströmung mit Gas ein gleichmäßiger Druckverlust. Nachteilig ist jedoch, dass der Abstand der Rohre zueinander mit zunehmender Entfernung vom Zentralrohr immer größer wird, was insbesondere in einem zylindrischen Behälter dazu führt, dass die Querschnittsfläche, die von einem abgehenden Rohr mit Gas beaufschlagt werden soll, mit zunehmendem Abstand vom Zentralrohr immer größer wird, was eine gleichmäßige Gasverteilung über den Querschnitt des Behälters unmöglich macht.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung von Stoffen in anderen Stoffen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Mathematisch kann die Kreisevolvente durch folgende bekannte Gleichung beschrieben werden: S = 0.5·r·x2
• Dabei bedeuten:

S

= Bogenlänge der Evolvente;

x

= Drehwinkel in Bogenmaß;

r

= Radius der Evolute.

• Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die von dem zentralen Hohlkörper abgehenden Verteilerhohlkörper, deren Mittellinien in etwa die Form einer Evolvente beschreiben, die gleiche Länge und untereinander den gleichen Abstand besitzen. Die gleiche Länge der Verteiler führt dazu, dass der Druckverlust in allen Hohlkörpern beim Durchströmen eines Stoffes annähernd gleich ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der zu verteilende Stoff vom Zentralhohlkörper auf alle Verteilerhohlkörper gleichmäßig verteilt wird. Der gleichbleibende Abstand der Verteilerhohlkörper ermöglicht dann wiederum eine gleichmäßige Verteilung des Stoffes über die gesamte Querschnittsfläche eines zylindrischen Behälters.
• Vorzugsweise werden Rohre sowohl für den zentralen Hohlkörper wie auch für die Verteilerhohlkörper verwendet.
• In 3 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In der Apparatur 1 befindet sich das Verteilersystem, das in der Mitte einen zentralen Hohlkörper 5 besitzt an dessen Ende sich mehrere Hohlkörper 6 befinden, die in etwa die Form einer Evolvente beschreiben. Auf den Hohlkörpern 6 befinden sich Öffnungen 4 aus denen der zu verteilende Stoff austritt.

1

Apparatur

2

Zentralrohr

3

Verteilerrohre

4

Austrittsöffnungen

5

Zentraler Hohlkörper

6

Hohlkörper

7

Unterstützung

Claims (4)

1. Vorrichtung aus mehreren mit Austrittsöffnungen (4) versehenen, über einen zentralen Hohlkörper (5) miteinander verbundenen Hohlkörpern (6), zur gleichmäßigen Verteilung von flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen oder Stoffgemischen in einem anderen flüssigen und/oder gasförmigen und/oder festen Stoff oder Stoffgemisch in zylindrischen Apparaturen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinien der mit dem zentralen Hohlkörper (5) verbundenen Hohlkörper (6) in etwa die Form einer Evolvente beschreiben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (5) und (6) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.
3. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem Wirbelbett eingesetzt wird.
4. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wirbelbettreaktor Acrylnitril, Maleinsäureanhydrid oder Melamin hergestellt wird.