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1. Einleitung:
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Reaktoren
zur thermischen Behandlung von Schüttgütern mit
einem Prozessgas sind im Stand der Technik bekannt. Da für
ein bestimmtes Verfahren ein im wesentlichen konstantes Gasmenge-zu-Produktmenge-Verhältnis
gefordert wird, wird es bei zunehmender Durchsatzleistung und dementsprechend
grösseren Reaktoren immer schwieriger, die geforderten
Flächen für die Gaseinlassöffnungen zur
Verfügung zu stellen, ohne dabei übermassig hohe
Gasgeschwindigkeiten zu verursachen.
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2. Stand der Technik:
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Im
Stand der Technik sind Lösungen bekannt, wo mehrere Gaseinlassöffnungen
vertikal übereinander angeordnet werden (Vergleiche zum Beispiel
DE 4040246 Krambrock
et al.). Dabei ergibt sich aber der Nachteil, dass sich
das zu behandelnde Schüttgut nur sehr uneinheitlich an
die Temperaturbedingungen eines Behandlungsgases anpasst und somit
im Schüttgut ein unregelmässiges Temperaturprofil
entsteht.
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Weiterhin
nachteilig ist, dass ein Behandlungsgas bevorzugt die Öffnungen
durchströmt, die aufgrund der dahinterliegenden Schüttung
den geringsten Strömungswiderstand aufweisen und somit hauptsächlich
die oberen Gaseintrittsöffnungen durchströmt.
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Ebenfalls
bekannt sind Lösungen, wo zusätzlich zu den Gaseintrittsöffnungen
im Mantelbereich Gaseintrittsöffnungen in einem Einbau
im Innern des Reaktors angeordnet sind (Vergleiche zum Beispiel
US 4276261 Kerscher
et al.). Auch hier ergeben sich die oben beschriebenen
Probleme, wenn die Gaseintrittsöffnungen auf unterschiedlichen
Höhen angeordnet sind. Würde der innere Begasungsbereich
auf gleicher Höhe wie der äussere Begasungsbereich
angeordnet, so wäre die Fläche der inneren Gaseintrittsöff nungen,
die in einem engen Höhenbereich liegt, zu gering, um eine
ausreichende Begasung von innen zu erzielen. Weiterhin ergibt sich
das Problem, dass eine Vielzahl von kleinen Gaseintrittsöffnungen
vorgesehen werden müssen, um bei der gegebenen Anordnung
einen Durchtritt des Schüttgutes zu verhindern. Bei diesen
kleinen Öffnungen besteht aber die Gefahr, dass einzelne Öffnungen
mit Schüttgut verstopfen.
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Eine ähnliche
Anordnung jedoch mit Spaltblechen anstelle von Löchern
wird in der
US-2004/0076555 Wagner
vorgeschlagen. Auch hier ergeben sich die oben beschriebenen Probleme,
wobei besonders die Fläche und die Kantenlänge
der inneren Begasungsöffnungen zu gering sind, um eine ausreichende
Begasung von innen zu erzielen.
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3. Aufgabe/Erfindung:
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor zur thermischen
Behandlung von Schüttgütern, insbesondere von
Kunststoffmaterialien zur Verfügung zu stellen in dem:
- – das Behandlungsgas so in den Reaktor
strömt, dass sich ein möglichst einheitliches
Temperaturprofil im Schüttgut einstellt,
- – die Öffnungen, über die das Behandlungsgas
in das Schüttgut fliesst, ausreichend gross sind,
- – in dem das Verhältnis des Gases, das von
innen in den Reaktor fliesst, zu dem Gas, das von aussen in den
Reaktor fliesst, möglichst ausgeglichen ist.
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Dazu
muss eine Lösung gefunden werden, bei der die Grösse
und Position der inneren und äusseren Gaseinlassöffnungen
in Bezug auf die Grösse des Reaktors stimmt.
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Diese
Lösung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 und
der folgenden Unteransprüche.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Schüttgut
möglichst einheitlich mit einem Gasstrom behandelt wird.
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3.1 Beschreibung des erfindungsgemässen
Reaktors (Reaktor und Begasung allgemein)
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Schachtreaktoren
zur thermischen Behandlung, insbesondere zur Festphasen-Polykondensation
von Kunststoffgranulaten, sind bekannt. Typischerweise bestehen
sie aus einem oberen zylindrischen Bereich und einem sich zum Auslauf
des Schachtreaktors verjüngenden unteren Bereich. Die Begasung
kann entweder von aussen (Aussenbegasung) oder von innen über
Einbauten (Innenbegasung) erfolgen oder in einer Kombination von
aussen und innen erfolgen (kombinierte Aussen- und Innenbegasung).
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Beim
Schachtreaktor handelt es sich um einen im Wesentlichen vertikalen
Behälter, der kontinuierlich betrieben werden kann. Dazu
wird ein Schüttgut oben mittels einer Einfüllöffnung
eingetragen und unten mittels einer Auslauföffnung ausgetragen.
Im kontinuierlichen Betrieb soll der Produktfluss über den
jeweiligen ganzen Querschnitt des Reaktors gleichmässig
von oben nach unten fliessen.
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Um
am Auslauf des Schachtreaktors ein möglichst homogenes
Polymergranulat zu erhalten, ist es wichtig, dass jedes Granulatkorn
etwa gleich lang im Schachtreaktor verweilt und dabei alle Granulate
den gleichen Reaktionsbedingungen ausgesetzt werden.
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Dies
wird erreicht, indem das Granulat an möglichst vielen Stellen
und möglichst grossflächig begast wird, während
man durch geeignete Einbauten eine Vergleichmässigung des
Granulat-Geschwindigkeitsprofils über jeder horizontalen
Schnittebene anstrebt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die schon erwähnte Aufgabe
zugrunde, bei einem Schachtreaktor zur thermischen Behandlung von
beispielsweise Polyester-Granulat eine möglichst gleichmässige
Begasung im gesamten Schachtvolumen, vor allem aber im konischen
Auslaufbereich zu erzielen, ohne dabei eine Abbremsung des Granulats an
den Schachtwänden der Begasungsbereiche in Kauf nehmen
zu müssen.
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Ein
erfindungsgemässer Schachtreaktor (Festbettreaktor, Bewegtbettreaktor)
wird zum Beispiel in einem Verfahrensschritt der Festphasenpolykondensation
(SSP) von Polyethylenterephthalat (PET) oder seinen Copolymeren
verwendet. Das Schüttgut fliesst dabei kontinuierlich von
oben nach unten durch den Schachtreaktor, wobei der Reaktor ein
H/D-Verhältnis (Höhen/Durchmesser) von über
2, insbesondere über 4 aufweist und typischerweise einen
Gaseintritt im unteren Teil des Reaktors aufweist. Wegen der erwähnten
möglichst guten Gasverteilung innerhalb des Reaktors und
insbesondere auch innerhalb des Auslaufkonus wird der Gaseintritt
nun verteilt auf mehrere Gaseintritte im unteren Bereich des Auslaufkonus.
Dies wird insbesondere immer wichtiger je grösser der Reaktordurchmesser
ist. Von diesen Gaseintritten strömt das Prozessgas im
wesentlichen nach oben. Es ist aber auch denkbar, Gas nach unten
strömen zu lassen.
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Schachtreaktoren
für den SSP-Verfahrensschritt werden oft mit kühlem
inertem Eintrittsgas gefahren. Der Wärmetausch beginnt
daher direkt nach dem Eintritt des Gases ins heisse Produkt, und
das Gas beginnt sich am Produkt aufzuheizen. Daher kommt der Gasverteilung
und dem Verweilzeitspektrum des Produktes im Auslaufkonus eine besondere Bedeutung
zu.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn im Auslaufbereich zylindrische symmetrische
Einbauten bzw. konisch symmetrische Einbauten eingesetzt werden,
die konzentrisch zur Reaktorschachtachse angeordnet sind. Durch
diese Einbauten wird der Granulatstrom in seinem mittigen Bereich
verlangsamt, wodurch eine Verminderung von "Kernfluss" beziehungsweise
eine Vergleichmässigung des Produktflusses erzielt wird
d. h. eine Verkürzung der Verweilzeit im mittigen Bereich
aufgrund eines uneinheitlichen Geschwindigkeitsprofils des Granulats
verhindert wird.
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Vorzugsweise
sind die Einbauten Verdrängungskörper oder Verdrängungshohlkörper,
die einen oberen Teilbereich und einen unteren Teilbereich aufweisen.
Insbesondere haben die Verdrängungskörper in ihren
oberen Teilbereich und in ihrem unteren Teilbereich jeweils mindestens
eine Öffnung bzw. einen Öffnungsring. Dadurch
besteht insbesondere die Möglichkeit, dass ein Teil des
im Begasungsbereich des Schachtreaktors zugeführten Gases
durch eine oder mehrere Zuleitungen von aussen ins Innere des Schachtreaktors
bis zum Verdrängungshohlkörper gelangt und durch
den hohlen Verdrängungskörper bis zu dessen Öffnung
strömt, wo es dann ins Granulat abgegeben wird und zwar
radial von innen nach aussen. Damit kommt zur konventionellen Aussenbegasung
eine Innenbegasung hinzu.
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Mit
der Erfindung werden nun die Geometrie und dazugehörige
Geometrie-Verhältniszahlen der Aussen- und Innenbegasung
eines Schachtreaktors mit Mehrfachbegasung im Detail beschrieben,
um eine optimale Lösung für den SSP-Verfahrensschritt zu
erhalten, d. h. optimale Begasung und möglichst gleichmässige
Temperatur.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemässen
Vorrichtung sind zwischen Aussen- und Innenbegasung im Innern des
Reaktors weitere zusätzliche Einbauten angeordnet. Diese
zusätzlichen Einbauten können z. B. dachartig
ausgebildet sein, wobei der First oder die Spitze der dachartigen
Einbauten nach oben weisen. Diese Einbauten werden mit einer oder
mehreren Zuführleitungen mit Gas von aussen her versehen
und dienen damit zu einer noch besseren Gasverteilung innerhalb
des gesamten Reaktors. Die dächerartigen Einbauten können
auch Hohlkörper sein, die im oberen oder unteren oder beiden
Teilen Gasaustrittsöffnungen aufweisen.
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Diese
zusätzlichen Einbauten leisten zudem einen Beitrag zur
Vereinheitlichung des Granulat-Geschwindigkeitsprofils sowie zur
Verhinderung oder zumindest Verminderung ruckartiger Bewegungen der
gesamten im Schachtreaktor enthaltenen Granulatmasse (Wechselspiel
aus Haftreibung und Gleitreibung, "slip-stick"). Durch die zusätzlichen
Einbauten wird die sich ruckartig bewegende Masse kleiner gehalten.
Je grösser der Durchmesser des Reaktors ist, desto wichtiger
wird der Einsatz von solch zusätzlichen Einbauten.
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Die
Erfindung ist auch keineswegs auf die beschriebenen und abgebildeten
Ausführungsbeispiele begrenzt. So ist z. B. bei Bedarf
eine Auslaufgeometrie denkbar, bei der nicht ein zylindrischer Begasungsbereich
sondern ein Begasungsbereich mit quadratischen, rechteckigen oder
polygonen Querschnitt aufweist.
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3.2 Beschreibung des erfindungsgemässen
Reaktors (Begasungskonus im Detail)
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Der
Schüttgutwinkel β ist definiert als der Böschungswinkel
des Produktes zur Horizontalen. Er beträgt für
PET zwischen 30 und 40°.
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Der
Begasungskonus (Konusauslauf mit Gaseintritten) wird hier noch detaillierter
beschrieben. Dazu werden die 2 und 5 verwendet.
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Das
Produkt rieselt im zylindrischen Teil des Reaktors von oben nach
unten. Mit dem oberen mittigen Verdrängungskörper
im Begasungskonus beginnt die Verkleinerung des Reaktorquerschnittes. Das
Produkt wird daher beschleunigt. Durch die optimale vertikale Anordnung
von Verdrängungskörper und äusserem Gaseintritt
wird der Produktdruck optimal gehalten. Dabei weist der Reaktor
einen Winkel alfa zwischen der Horizontalen und der Linie Spitze
S des Verdrängungskörpers bis zur Kante K des
Reaktormantels von grösser 20°, insbesondere zwischen 25° und
45°, auf.
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Bei
der Aussenbegasung wird das Gas kontinuierlich mittels einer oder
mehreren Zuführleitungen durch den Reaktormantel zur Begasungsstelle geführt.
Zur optimalen Gasverteilung können Stauelemente wie Lochblech,
Schlitzblech oder Spaltblech innerhalb oder knapp ausserhalb des
Aussenbegasungsbereiches eingesetzt werden. Um möglichst
gute Gasverteilung zu erhalten, wird die Ausführung für
den Fall des zylindrischen Reaktors rotationssymmetrisch ausgebildet.
Beim Rieseln des Produktes über die Begasungskante stellt
das Produkt selbst seinen produktspezifischen Schüttgutwinkel
beta ein. Das Gas strömt radial von aussen nach innen um
die Innenkante der Aussenbegasung über die ganze Ringfläche
AGM in die Produktschüttung ein. Nach Kontakt des Gases
mit dem Produkt beginnt sofort der Wärmeübergang,
und das Gas verändert entsprechend seine Temperatur (Aufheizung oder
Abkühlung).
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Die
Einbauten sind Verdrängungskörper (einer oder
mehrere), die hohl oder teilweise ausgefüllt sein können.
Der/die Verdrängungskörper können sowohl
den Kernfluss verhindern wie gleichzeitig für die Innenbegasung
verwendet werden. Das Gas wird kontinuierlich mittels einer oder
mehreren Gaszuführleitungen von ausserhalb des Reaktormantels
ins Innere des Verdrängungskörpers und bis zur
Begasungsstelle geführt. Zur optimalen Gasverteilung können
Stauelemente wie Lochblech, Schlitzblech oder Spaltblech innerhalb
oder knapp ausserhalb des Innenbegasungsbereiches eingesetzt werden. Um
möglichst gute Gasverteilung zu erhalten, wird die Ausführung
für den Fall des zylindrischen Reaktors rotationssymmetrisch
ausgebildet. Beim Rieseln des Produktes über die Begasungskante
stellt das Produkt selbst seinen produktspezifischen Schütt gutwinkel
beta ein. Das Gas strömt radial von innen nach aussen um
die Aussenkante der Innenbegasung über die ganze Ringfläche
AGE in die Produktschüttung ein. Nach Kontakt des Gases
mit dem Produkte beginnt sofort der Wärmeübergang
und das Gas verändert entsprechend seine Temperatur (Aufheizung
oder Abkühlung).
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Vorzugsweise
sind die Einbauten Verdrängungskörper oder Verdrängungshohlkörper,
die einen oberen Teilbereich und einen unteren Teilbereich aufweisen.
Insbesondere hat der Verdrängungskörper im oberen
Teilbereich mindestens eine Öffnung bzw. einen Öffnungsring.
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Der
untere Verdrängungskörper/-hohlkörper kann
ohne Begasung ausgeführt sein oder eine zusätzliche
Innenbegasung aufweisen, die auf tieferem Niveau (unterschiedlicher
Höhe) sein kann, vorzugsweise im sich nach unten verjüngenden
Bereich des unteren Verdrängungskörpers.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemässen
Vorrichtung sind zwischen Aussen- und Innenbegasung im Innern des
Reaktors weitere zusätzliche Einbauten angeordnet (Mittenbegasungen).
Vor allem für grosse Reaktoren können diese zusätzlichen
Einbauten von grossem Nutzen sein. Je grösser der Durchmesser
des Reaktors ist, desto wichtiger wird der Einsatz von solchen zusätzlichen
Einbauten. Für Reaktoren mit einem zylindrischen Durchmesser
Dz von grösser 2 Meter, insbesondere zwischen 3 und 8 Meter,
können die zusätzlichen Einbauten eine weitere
Verbesserung der Gasverteilung und damit ein einheitliches Temperaturprofil
erzeugen. Diese zusätzlichen Einbauten können
z. B. dachartig ausgebildet sein, wobei der First oder die Spitze
der dachartigen Einbauten nach oben weisen. Diese zusätzlichen
Einbauten werden mit einer oder mehreren Zuführleitungen
mit Gas von der Reaktormantelseite her versehen. Zur optimalen Gasverteilung
können Stauelemente wie Lochblech, Schlitzblech oder Spaltblech
innerhalb oder knapp ausserhalb des Begasungsbereiches eingesetzt
werden. Um möglichst gute Gasverteilung zu erhalten, wird
die Ausführung für den Fall des zylindrischen Reaktors
rotationssymmetrisch ausgebildet. Beim Rieseln des Produktes über
die Begasungskanten stellt das Produkt selbst seinen produktspezifischen Schüttgutwinkel
beta ein. Das Gas strömt sowohl radial von der Mitte nach
innen um die Innenkante der Mittenbegasung und radial von der Mitte
nach aussen um die Aussenkan te der Mittenbegasung über die
Ringflächen AG1 in die Produktschüttung ein. Nach
Kontakt des Gases mit dem Produkt beginnt sofort der Wärmeübergang
und das Gas verändert entsprechend seine Temperatur (Aufheizung
oder Abkühlung).
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Es
können auch 2 oder mehrere zusätzliche Ringdächereinbauten
(Mittenbegasungen) zwischen Aussen- und Innenbegasung zwecks Begasung
eingebaut werden.
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Die
zusätzlichen Ringdächereinbauten (eine oder mehrere)
können auch ohne Begasungen ausgebildet sein und dienen
dann zur Produktauflockerung.
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Die
dächerartigen Einbauten können Hohlkörper
sein, die im oberen oder unteren oder beiden Teilen Gasaustrittsöffnungen
aufweisen.
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Die
Verdrängungskörper sind am zylindrischen Aussenmantel
oder am Aussenkonus mit Befestigungsstegen (Rippen) montiert oder
verschweisst und somit in ihrer Position fix verankert. Die zusätzlichen
Einbauten (Mittenbegasung) können sowohl am zylindrischen
Aussenmantel oder Aussenkonus und/oder an den inneren Verdrängungskörpern
mit Befestigungsstegen (Rippen) montiert oder verschweisst werden
und sind somit in ihrer Position fix verankert.
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Die
Anordnung der Aussenbegasung und der Innenbegasung und falls vorhanden
der Mittenbegasung/en sollen auf gleicher Höhe sein oder
im Bereich eines vertikalen Abstandes, das heisst der kleiner ist
als die Differenz der radialen Abstände von der Zentrumsachse
zwischen der Innenkante der äusseren Gaseinlassöffnung
(RGMI) und der Aussenkante der inneren Gaseinlassöffnung
(RGEA).
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Wie
oben erwähnt, können zur optimalen Gasverteilung
der einzelnen Begasungen (Aussenbegasung, Innenbegasung, Mittenbegasung
falls vorhanden) Stauelemente wie Lochblech, Schlitzblech oder Spaltblech
innerhalb oder knapp ausserhalb des Begasungsbereiches eingesetzt
werden. Vorzugsweise werden Ringbleche mit Rundlöchern oder
mit Schlitzlöchern/Langlöcher eingesetzt, die
regelmässig über den ganzen Ring verteilt sind.
Die Ringbleche werden vorzugsweise horizontal oder parallel zum
Schüttgut (Schüttungswinkel beta) eingesetzt.
Die Durchmesser der Löcher oder Schlitze und der Abstand
vom Ringblech zur Produktschüttung sind so gewählt,
dass keine Jetwirkung durch zu hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten
des Gases entsteht und somit das Produkt ruhig liegen bleibt.
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Die
Stauelemente können je nach Geometrie und Gasmenge auch
direkt an die Schüttung angelehnt sein (Schüttungswinkel
beta).
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3.3 Beschreibung des erfindungsgemässen
Verfahrens insbesondere für PET
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Das
erfindungsgemässe Verfahren und der erfindungsgemässe
Reaktor werden hier insbesondere für die Festphasen-Polykondensation
(SSP) von PET (Polyethylentheraphtalat) beschrieben. Das erfindungsgemässe
Verfahren und/oder der erfindungsgemässe Reaktor kann auch
für andere Polymere, insbesondere Polykondensate wie PEN,
PBT, PA und CoPA's, PC und auch für andere Polymere und
Schüttgüter irgendwelcher Art verwendet werden.
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In
den im Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen der Schritt
des Aufheizens und der Schritt der Festphasen-Polykondensation (SSP, Nachkondensationsreaktion)
durch Einwirkung eines Prozessgases erfolgen, ist die Trennung zwischen dem
Schritt des Aufheizens und dem Schritt der SSP (Nachkondensationsreaktion)
dadurch gegeben, dass der Schritt des Aufheizens mit einer hohen
Gasmenge (mg/mp = 2–15 insbesondere 2.5–10) erfolgt, wodurch
sich im wesentlichen die Temperatur des Produktes an die Temperatur
des Gases annähert, und dass der Schritt der Festphasen-Polykondensation
(SSP, Nachkondensationsreaktion) mit einer niedereren Gasmenge (mg/mp
= 0.1–1.4, insbesondere 0.3–0.8) erfolgt, wodurch
sich im wesentlichen die Temperatur des Gases an die Temperatur
des Produktes annähert. Dabei ist mp die Summe der Masse aller
dem Prozess zugeführten Produktströme, und mg
die Summe der Masse aller dem Prozess zugeführten Gasströme.
Als Prozessgas kommen Luft oder Inertgase, wie z. B. Stickstoff
oder CO2, sowie Gemische aus Prozessgasen in Frage. Die Prozessgase
können Additive enthalten, die entweder reaktiv auf das
zu behandelnde Produkt einwirken oder sich passiv auf dem zu behandelnden
Produkt ablagern. Bevorzugterweise wird das Prozessgas zumindest teilweise
in einem Kreislauf geführt. Um eine Beeinträchtigung
der Polykondensationsreaktion zu vermindern, kann das Prozessgas
von unerwünschten Produkten, insbesondere Spaltprodukten
der Polykondensationsreaktionen gereinigt werden.
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Beim
erfindungsgemässen Reaktor mit mindestens einer Aussenbegasung
im Reaktormantel und mindestens einer Innenbegasung via Einbau wird
die oben erwähnte Gasmenge aufgeteilt. Dabei soll die Gasgeschwindigkeit
nach den Gaseintritten aussen und innen, die vertikal nach oben
strömt, über den ganzen Reaktorquerschnitt gleich
sein. Die Gasmengenaufteilung kann mit Hilfe der Gasregulierklappe
(16) angepasst werden. Für einen Reaktor mit einer
Aussenbegasung und einer Innenbegasung wird die Aufteilung der Gasmengen-Aussenbegasung
zu Innenbegasung von 80% zu 20% bis 55% zu 45% liegen, insbesondere
von 75% zu 25% bis 60% zu 40%.
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Falls
der erfindungsgemässe Reaktor zusätzliche mittige
Einbauten (17) aufweist muss die Gesamtgasmenge auf Aussen-,
Innen- und Mittenbegasung aufgeteilt werden. Auch hier soll die
Gasgeschwindigkeit nach den Gaseintritten aussen und innen und Mitte,
die vertikal nach oben strömt, über den ganzen
Reaktorquerschnitt gleich sein. Die Gasmengenaufteilung kann mit
Hilfe von Gasregulierklappen (16 und weitere) angepasst
werden.
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Der
erfindungsgemässe Reaktor kann auch für die Trocknung
von PET, andere Polykondensate wie PEN, PBT, PA und CoPA's, PC oder
für andere Polymere oder Schüttgüter
irgendwelcher Art verwendet werden.
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In
den im Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgt der Schritt
der Festphasen-Polykondensation (SSP, Nachkondensationsreaktion)
durch Einwirkung eines Prozessgases. Diese Festphasen-Polykondensation
erfolgt in grossen Reaktoren, wie oben erwähnt mit einer
niedrigen Gasmenge, wodurch sich im Wesentlichen die Temperatur
des Gases an die Temperatur des Produktes annähert. Dies findet
im Grossteil des zylindrischen Reaktorteils statt. Im konischen
Auslauf- oder Begasungsteil des Reaktors findet der wesentliche
Wärmeübergang vom Prozessgas zum Produkt oder
umgekehrt statt. Der thermische Einflussbereich des Prozessgases erstreckt
sich nach oben so weit, wie das Prozessgas eine Änderung
der Schüttguttemperatur erzeugt, und er streckt sich nach
unten so weit, bis eine Durchmischung des Produktes oder eine weitere
aktive Temperaturänderung erfolgt.
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Falls
die Prozessgastemperatur gleich ist wie die Produkttemperatur im
Konusbereich des Reaktors, findet kein Wärmeübergang
statt. Falls jedoch die Prozessgastemperatur höher oder
tiefer liegt als die Produkttemperatur des Schüttgutes
im Konusbereich, findet der Grossteil des Wärmeübergangs
im Konusbereich statt, und es bildet sich je nach Gasmenge und Gasverteilung
ein Temperaturprofil über den Konusquerschnitt auf einer
bestimmten Höhe, bis der thermische Einflussbereich des
Prozessgases nicht mehr aktiv ist. Je grösser die Differenz
von Prozessgaseintrittstemperatur zu Produkttemperatur im Konusbereich
desto grösser werden die Produkttemperaturunterschiede.
In der Praxis werden Festphasen-Polykondensationsreaktoren mit Prozessgastemperaturen
zwischen 40–220°C, insbesondere zwischen 50–180°C
betrieben. Im Auslaufkonus (Begasungskonus) findet ein Abkühlprozess
des Produktes statt. Mit der erfindungsgemässen Aussen- und
Innenbegasung und bei grossen Reaktoren der zusätzlichen
Mittenbegasung ist die Produkttemperatur bedeutend einheitlicher über
den ganzen Reaktorquerschnitt auch im Konusbereich.
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3.4 Beschreibung der erfindungsgemässen
Regelung (Verfahren) insbesondere für PET
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Nebst
der oben erwähnten Gasmengeaufteilung mit Hilfe von Gasregulierklappen
(16 und weitere) kann die erfindungsgemässe Gasmengenaufteilung
zwischen Aussenbegasung, Innenbegasung und allenfalls Mittenbegasung
auch mit Hilfe eines feineren Verfahrens vorgenommen werden. Dazu wird
bevorzugterweise eine Steuerung, insbesondere eine Regelung, der
Gasmenge zu den Gaseintrittsöffnungen im Mantelbereich
und zu den Gaseintrittsöffnungen im Einbaubereich verwendet.
Die Steuerung oder Verteilung der Gesamtgasmenge zu den einzelnen
Gaseintrittsöffnungen kann zum Beispiel durch bewegliche
Stauelemente, wie Klappen oder Ventile, durch separate Gasfördervorrichtungen,
wie Ventilatoren oder Gebläse sowie einer Kombination von
Stauelementen und Gasfördervorrichtungen erfolgen.
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Die
erfindungsgemässe Regelung der Gasverteilung zu den einzelnen
Gaseintritten (Aussenbegasung, Innenbegasung und falls vorhanden
Mittenbegasungen) erfolgt mit tels eines Reglers (W). Als Eingangsgrösse
wird eine oder mehrere Temperaturen oberhalb oder unterhalb der
Aussen-, Innen- und falls vorhanden Mittenbegasungen kontinuierlich
gemessen. Am wirkungsvollsten ist die Messung und Auswertung von
einem Temperaturprofil. Ziel ist es, eine möglichst gleichmässige
Produkttemperatur über den ganzen Reaktorquerschnitt im
Konusbereich zu erreichen.
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Zur
Messung eines Temperaturprofils werden zumindest zwei Temperaturmesssonden
benötigt. Es kann aber auch eine grössere Zahl
an radial und axial unterschiedlich angeordneten Messsonden verwendet
werden. Der Einbau der Temperaturmesssonden erfolgt bevorzugterweise
auf gleicher Höhe im Reaktor, wobei sowohl ein Einbau oberhalb
(X1, X2) oder unterhalb der Gaseintrittsöffnungen (X3,
X4, X5) erfolgen kann. Erfindungsgemäss muss der Einbau
im thermischen Einflussbereich des Prozessgases erfolgen, wobei
der thermische Einflussbereich des Prozessgases sich nach oben so
weit erstreckt, wie das Prozessgas eine Änderung der Schüttguttemperatur
erzeugt, und sich nach unten so weit erstreckt, bis eine Durchmischung
des Produktes oder eine weitere aktive Temperaturänderung
erfolgt, wobei sich der thermische Einflussbereich nach unten auch über
die Auslassöffnung des Reaktors hinaus, in eine anschliessende
Rohrleitung erstrecken kann.
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4. Erklärung vorgeschalteter
und nachgeschalteter Prozesse und Einbindung der Erfindung
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4.1. Flüssigphasen-Polymerisation
von PET
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Die
Polyestermonomere werden in einem ersten Schritt in flüssiger
Phase zu einem Prepolymer polymerisiert bzw. polykondensiert. Üblicherweise
erfolgt die Herstellung der Prepolymerschmelze in einem kontinuierlichen
Prozess, wobei auf eine Veresterungsstufe eine Prepolykondensationsstufe
folgt. Im konventionellen Polyesterherstellprozess folgt eine Polykondensationsstufe
im Hochviskositätsreaktor (auch Finisher genannt). (Vergleiche
z. B.: Modern Polyesters, Wiley Series in Polymer Science, Edited
by John Scheirs, J. Wiley & Sons
Ltd, 2003; Kapitel 4.2). Die Polyesterherstellung kann
auch in einem Batch-Prozess erfolgen (Vergleiche z. B.: Modern
Polyesters, Wiley Series in Polymer Science, Edited by John Scheirs,
J. Wiley & Sons
Ltd, 2003; Kapitel 4.1). Bevorzugterweise liegt der Polymerisationsgrad
des Prepolymers zwischen 55 und 100, insbesondere zwischen 65 und
80.
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Alternativ
kann die oben erwähnte Polykondensationsstufe im Hochviskositätsreaktor
weggelassen werden. Dadurch entsteht ein niedrigviskoses Polyesterprepolymer
mit einem Polymerisationsgrad (DP), der deutlich unter dem Polymerisationsgrad des
Polykondensates nach der nachfolgenden Festphasenbehandlung liegt. Üblicherweise
liegt der Polymerisationsgrad des niedrigviskosen Prepolymers unter
60%, insbesondere unter 50% des Polymerisationsgrades des in der
Festphase nachkondensierten Polyesters. Bevorzugterweise liegt der
Polymerisationsgrad des niedrigviskosen Prepolymers zwischen 10
und 50, insbesondere zwischen 15 und 35.
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Eine
weitere Alternative bietet das Verwenden bereits polykondensierter
Polyethyleneterephthalate, die durch Aufschmelzen oder Aufschmelzen und
Depolymerisieren auf das geeignete Viskositätsniveau gebracht
werden.
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Die
Flüssigphasenpolymerisation findet üblicherweise
bei Temperaturen statt, wo das Prepolymer als Prepolymerschmelze
anfällt. Die Prepolymerschmelze kann aber auch durch Aufschmelzen eines
zuvor verfestigten Prepolymers erzeugt werden. Als Prepolymerschmelze
kommen auch Gemische verschiedener Polyethylenterephthalatströme in
Frage, wobei auch rezyklierte Rohstoffe eingesetzt werden können.
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4.2 Granulation von PET
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Bei
der Granulation wird die Prepolymerschmelze in eine definierte Form überführt
und verfestigt.
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Bei
der Granulation wird die Polykondensatschmelze z. B. durch eine
Düse mit einer Öffnung (Loch) oder einer Vielzahl
von Öffnungen gepresst und geschnitten oder vertropft.
Die Düsenöffnungen sind üblicherweise
rund, können aber auch ein anderes Profil, wie z. B. schlitzförmige Öffnungen
darstellen.
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Das
Schneiden kann sowohl direkt am Düsenaustritt erfolgen
oder aber erst nach Durchlaufen einer Behandlungsstrecke.
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Durch
die Abkühlung wird die Polykondensatschmelze verfestigt.
Dies kann mit Hilfe eines flüssigen Kühlmediums
(z. B. Wasser, Ethylenglykol) oder gasförmigen Kühlmediums
(z. B. Luft, Stickstoff, Wasserdampf) erfolgen, oder durch Kontakt
mit einer kalten Oberfläche, wobei auch Kombinationen der Kühlmedien
denkbar sind. Die Abkühlung kann sowohl gleichzeitig, wie
auch vor oder nach dem Formen zu Partikeln stattfinden.
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Liegt
eine Prepolymerschmelze aus einem konventionellen Polyesterherstellprozess
vor, so werden Granulationsprozesse wie Stranggranulation, Wasserringgranulation,
Unterwassergranulation oder Kopfgranulation (auch hot face – Granulation) verwendet.
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Liegt
eine niederviskose Prepolymerschmelze vor, so werden Granulationsprozesse
wie Vertropfung, Wasserringgranulation, Unterwassergranulation oder
Kopfgranulation (auch hot face – Granulation) verwendet.
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4.3 Kristallisation von PET
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Das
Anheben des Kristallisationsgrades der Prepolymergranulate erfolgt
nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren, üblicherweise
kontinuierlich. Die Kristallisation kann auf thermischem Weg erfolgen,
wodurch ein thermisch teilkristallisiertes Polyethylenterephthalat
entsteht. Weniger geeignet sind lösemittelinduzierte Kristallisation
oder Kristallisation durch mechanische Verstreckung.
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Die
Kristallisation kann sowohl während als auch nach dem Granulationsschritt
stattfinden. Dazu müssen die Prepolymergranulate bei einer
geeigneten Kristallisationstemperatur behandelt werden. Bei der
Kristallisation soll zumindest ein Kristallisationsgrad erreicht
werden, der eine Behandlung in der nachfolgenden Festphasen-Polykondensation
erlaubt, ohne dass es dort zu Verklebungen oder Klumpenbildungen
kommt.
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4.4 Festphasen-Polykondensations-Verfahren
von PET (SSP)
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Das
Molekulargewicht der Polyethylenterephthalate PET, insbesondere
der Polyethylenterephthalat-Granulate wird durch eine Festphasen-Polykondensation
auf einen höheren Polymerisationsgrad gebracht. Üblicherweise
liegt der Polymerisationsgrad nach der Festphasen-Polykondensation über
80, insbesondere über 100. Üblicherweise liegt der
Polymerisationsgrad nach der Festphasen-Polykondensation unter 250,
insbesondere unter 180. Polyethylenterephthalate mit höherem
Polymerisationsgrad werden z. B. für technische Fasern
verwendet und weisen bevorzugterweise einen geringen Comonomergehalt
z. B. < 3.5 mol%,
insbesondere < 2.5 mol%
auf. Bei Polyethylenterephthalaten für die Herstellung
von Hohlkörpern, wie z. B. Flaschen, liegt der Polymerisationsgrad
nach der Festphasen-Polykondensation üblicherweise unter
150, bevorzugterweise unter 130, und der Comonomergehalt liegt üblicherweise über
3 mol%, bevorzugterweise über 4 mol%.
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Liegt
ein Granulat aus einer niederviskosen Prepolymerschmelze vor, so
wird der Polymerisationsgrad auf zumindest das 1.67-fache, insbesondere zumindest
das 2-fache des Prepolymers angehoben.
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Der
erfindungsgemässe Reaktor ist sowohl für PET von üblichen
Polymerisationsgraden wie auch für niedrigviskose Polymerisationsgarde
geeignet.
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Die
Festphasen-Polykondensation erfolgt nach den im Stand der Technik
bekannten Verfahren und umfasst zumindest die Schritte des Aufheizens auf
eine geeignete Nachkondensationstemperatur und der Nachkondensationsreaktion.
Optional können weitere Schritte zur vorherigen Kristallisation oder
nachherigen Kühlung erfolgen. Dabei können sowohl
kontinuierliche als auch Batch-Prozesse zum Einsatz kommen, die
z. B. in Apparaturen wie Fliessbett-, Sprudelbett- oder Festbettreaktoren
sowie in Reaktoren mit Rührwerkzeugen oder sich selber
bewegenden Reaktoren, wie Drehrohrofen oder Taumeltrockner, stattfinden.
Die Festphasen-Polykondensation kann sowohl bei Normaldruck, bei
erhöhtem Druck oder unter Vakuum stattfinden.
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In
den im Stand der Technik bekannten Verfahren, bei denen der Schritt
des Aufheizens und der Schritt der Nachkondensationsreaktion durch
Einwirkung eines Prozessgases erfolgen, ist die Trennung zwischen
dem Schritt des Aufheizens und dem Schritt der Nachkondensationsreaktion
dadurch gegeben, dass der Schritt des Aufheizens mit einer hohen
Gasmenge (mg/mp = 2–15 insbesondere 2.5–10) erfolgt,
wodurch sich im wesentlichen die Temperatur des Produktes an die
Temperatur des Gases annähert, und dass der Schritt der
Nachkondensationsreaktion mit einer niedereren Gasmenge (mg/mp =
0.1–1.4, insbesondere 0.3–0.8) erfolgt, wodurch
sich im wesentlichen die Temperatur des Gases an die Temperatur
des Produktes annähert. Dabei ist mp die Summe der Masse
aller dem Prozess zugeführten Produktströme, und
mg die Summe der Masse aller dem Prozess zugeführten Gasströme. Als
Prozessgas kommen Luft oder Inertgase, wie z. B. Stickstoff oder
CO2, sowie Gemische aus Prozessgasen in Frage. Die Prozessgase können
Additive enthalten, die entweder reaktiv auf das zu behandelnde
Produkt einwirken oder sich passiv auf dem zu behandelnden Produkt
ablagern. Bevorzugterweise wird das Prozessgas zumindest teilweise
in einem Kreislauf geführt. Um eine Beeinträchtigung
der Polykondensationsreaktion zu vermindern, kann das Prozessgas
von unerwünschten Produkten, insbesondere Spaltprodukten
der Polykondensationsreaktionen gereinigt werden. Spaltprodukte
wie Wasser, Ethylenglykol oder Aldehyde (z. B. Acetaldehyd) sollen
dabei auf Werte unter 100 ppm, insbesondere auf Werte unter 10 ppm
reduziert werden. Die Reinigung kann durch im Stand der Technik
bekannte Gasreinigungssysteme, wie z. B. katalytische Verbrennungssysteme,
Gaswäscher, Adsorptionssysteme oder Kühlfallen
erfolgen.
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Insbesondere
der Schritt der Nachkondensation SSP erfolgt üblicherweise
mittels eines sauberen oder gereinigten Prozessgases. Eine Variante
sieht vor, das saubere oder gereinigte Prozessgas im Anfangsstadium
des Schrittes der Nachkondensation einzuspeisen. Eine weitere Variante
sieht vor, auch den Schritt des Aufheizens zumindest anfänglich
mittels eines sauberen oder zumindest teilweise gereinigten Prozessgases
durchzuführen.
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Die
Erfindung sieht vor, dass der Schritt der Nachkondensationsreaktion
in einem Schachtreaktor (Festbett-, Wanderbett-, Bewegtbettreaktor)
erfolgt, durch den das Polyethylenterephthalat kontinuierlich von
oben nach unten fliesst, wobei der Festbettreak tor ein Länge/Durchmesser-Verhältnis
L/D von über 2, insbesondere über 4 aufweist und
typischerweise einen Gaseintritt im unteren Teil des Reaktors aufweist.
Für grosse Reaktoren kann der Gaseintritt nun verteilt
werden auf mehrere Gaseintritte im unteren Bereich oder auch durch
Gaseintritte unten und oben im Reaktor oder unten und in verschiedenen
Höhen des Reaktors. Von diesem Gaseintritt kann das Prozessgas
entweder nur nach oben strömen oder sowohl nach oben als
auch nach unten strömen.
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Die
geeignete Nachkondensationstemperatur liegt in einem Temperaturbereich
von 190°C bis 240°C, wobei Temperaturen unter
220°C bevorzugt werden.
-
Die
geeignete Nachkondensationszeit liegt im Bereich von 2–100
Stunden, wobei aus wirtschaftlichen Gründen Verweilzeiten
von 6–30 Stunden bevorzugt werden.
-
Optional
kann der Schritt zur Kristallisation und der Schritt des Aufheizens
auf eine geeignete Nachkondensationstemperatur gleichzeitig oder
zumindest im gleichen Reaktor erfolgen, wobei der dazu verwendete
Reaktor in mehrere Prozesskammern getrennt sein kann, in denen unterschiedliche Prozessbedingungen
(z. B. Temperatur und Verweilzeit) vorherrschen können.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Aufheizrate, mit der das Polykondensat
in den Nachkondensationstemperaturbereich aufgeheizt wird, ausreichend
gross ist, um eine übermässige Kristallisation
vor Beginn der Polykondensationsreaktion zu verhindern.
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4.5 Endprodukt-Herstellung PET
-
Nach
Abschluss der Festphasen-Polykondensation können die Polykondensate
zu verschiedenen Endprodukten wie z. B. Fasern, Technischen Fasern,
Bändern, Folien oder Spritzgussteilen verarbeitet werden.
PET wird zu einem grossen Teil zu Hohlkörpern wie z. B.
PET-Flaschen verarbeitet.
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5. Figurenbeschreibung:
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungen der
Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
Darstellung eines erfindungsgemässen Reaktors;
-
2 eine
Darstellung des Begasungsbereichs eines erfindungsgemässen
Reaktors;
-
3 eine
Darstellung des Öffnungswinkels einer Gaseinlassöffnung;
-
4 eine
Darstellung einer Hälfte des Begasungsbereichs und eine
Darstellung der Stauelemente und der Regelung des Gasflusses; und
-
5 eine
Darstellung des Begasungsbereiches mit zusätzlichem Einbau.
-
1 zeigt
eine Ausführung des erfindungsgemässen Reaktors.
Es handelt sich um einen sogenannten Festbett-, Bewegtbett- oder
Wanderreaktor 1. Position 2 zeigt die Reaktorwand.
Der Reaktor kann einen zylindrischen, elliptischen, quadratischen,
rechteckigen oder polygonen Querschnitt aufweisen. Für
den Fall des zylindrischen Reaktors ist die Reaktorwand im Hauptbereich
zylindrisch und im Auslaufteil konisch mit einem an das Produkt
angepassten Konuswinkel. Bei den anderen Querschnitten ist der Auslauf
entsprechend verjüngend zu einem runden oder rechteckigen
Produktaustritt 4. Das Produkt kommt über den
Produkteintritt 3 in den Reaktor und rieselt mittels der
Gravitationskraft von oben nach unten. Das Produkt verlässt
den Reaktor über den Produktaustritt 4. Der Hauptteil
des Reaktors 5 ist im Wesentlichen gefüllt mit
dem granulatförmigen oder pulvrigen Produkt. Der Reaktor
kann je nach Betriebsfahrweise auch nur zum Teil gefüllt sein.
Auch der Reaktorauslauf ist mit Ausnahme der Einbauten 10 (10a und 10b)
im Wesentlichen gefüllt mit Produkt. Das Gas, das im Gegenstrom
von unten nach oben strömt, tritt bei den Gaseintritten 7 und 8 ein
und beim Gasaustritt 9 oder den Gasaustritten 9a und 9b aus.
Gaseintritte 7 und 8 und Gasaustritt 9 bzw.
Gasaustritte 9a und 9b sind so konstruiert, dass kein
Produkt mitgerissen wird. Im Reaktor austritt befinden sich Verdrängereinbauten 10 (10a und 10b), die
einen Kernfluss des Produktes verhindern und damit das Verweilzeitspektrum
des Reaktors verbessern. Für den zylindrischen Reaktor
bestehen die Verdrängereinbauten aus rotationssymmetrischen Kegeln
oder Doppelkegeln (10a und 10b) verschiedener
Geometrien. Für die anderen Querschnitte können
die Verdrängereinbauten entsprechend der Geometrie angepasst
sein oder auch zylindrisch sein. Für den zylindrischen
Reaktor ist 11 die Rotationsachse.
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In 2 ist
der Begasungsbereich eines erfindungsgemässen Reaktors
detaillierter gezeigt. Dabei ist für den Fall des zylindrischen
Reaktors die Zylinderwand 2a und der Auslaufkonus 2b dargestellt. Zudem
sieht man die Verdrängereinbauten 10a und 10b abgebildet.
Mit 11 ist die Rotationsachse gezeichnet. Die Gaseintritte 7 (Aussenbegasung)
und 8 (Innenbegasung) sind ebenfalls dargestellt. Die schräge
gewellte Kurve stellt den Schüttwinkel des Produktes dar.
Für den zylindrischen Reaktor werden folgende Abstände,
Radien und Winkel definiert:
- Dz
- = Reaktordurchmesser
- APz
- = Reaktorquerschnittsfläche
- AP
- = Produktfläche
(Ringfläche) im engsten Querschnitt zwischen Aussen- und
Innenbegasung
- AGM
- = Querschnittsfläche
durch Schüttung (Ringfläche) des Gaseintritts
aussen
- AGE
- = Querschnittsfläche
durch Schüttung (Ringfläche) des Gaseintritts
innen
- RGMA
- = Radius der Aussenbegasung
Aussenseite
- RGMI
- = Radius der Aussenbegasung
Innenseite
- RGEA
- = Radius der Innenbegasung
Aussenseite (Verdrängerkörper 10a)
- RGEI
- = Radius der Innenbegasung
Innenseite (Verdrängerkörper 10b)
- S
- = Spitze des oberen
Verdrängerkörpers
- K
- = Kante Beginn Einschnürung
Produktfluss aussen
- α
- = Winkel zwischen
der Horizontalen und Linie von Spitze S bis Kante K
- β
- = Schüttgutwinkel
von horizontaler Line aus gemessen
-
In 3 wird
der Gaseinlass genauer beschrieben. Dabei ist mit Ziffer 2a der
zylindrische Teil und mit 2b der konische Teil des Reaktors
bezeichnet. Mit 11 ist die Rotationsachse gezeichnet (falls
zylindrischer Schachtreaktor). Der Gaseintritt ist 7 (Aussenbegasung).
Beta ist der Schüttgutwinkel von der horizontaler Line
aus gemessen. Gamma ist der Oeffnungswinkel zwischen der horizontalen
Linie und der Linie zwischen unterer Gaseintrittskante und Uebergangskante
zum Produkt.
-
In 4 wird
der Begasungsbereich genauer beschrieben. Dabei ist mit Ziffer 2a der
zylindrische Teil und mit 2b der konische Teil des Reaktors bezeichnet.
Mit 11 ist die Rotationsachse gezeichnet (falls zylindrischer
Schachtreaktor). Der Gaseintritt wird mit einer Aussenbegasung via
Eintritt 12 und einer Innenbegasung via Gaseintritt 14 vorgenommen. Beim
Gaseintritt wird mittels eines Barriere 13 (z. B. Lochblech
oder ähnliches) das Gas gleichmässig über
den ganzen Ringspalt verteilt. Dasselbe wird auch mit einer Barriere 15 (z.
B. Lochblech oder ähnliches) bei der Innenbegasung vorgenommen.
Mit der Klappe 16 kann der Gasvolumenstrom entsprechend
den Wünschen angepasst werden, dass ein möglichst
einheitliches Temperaturprofi X3, X4, X5 entsteht. Dabei werden
für den Reaktor nun folgenden Abstände, Radien
und Winkel definiert:
- RGMA
- = Radius der Aussenbegasung
Aussenseite
- RGMI
- = Radius der Aussenbegasung
Innenseite
- β
- = Schüttgutwinkel
von horizontaler Line aus gemessen
- X1, X2
- = Positionen von Temperatursensoren
- X3, X4, X5
- = Positionen von Temperatursensoren zur
Regelung der Klappe 16
- W
- = Regelgerät
-
5: Darstellung
des Begasungsbereiches mit zusätzlichem Einbau
-
In
der 5 wird der Begasungsbereich genauer beschrieben
für den Fall von zusätzlichen Einbauten. Dabei
ist mit Ziffer 2a der zylindrische Teil und mit 2b der
konische Teil des Reaktors bezeichnet. Mit 11 ist die Rotationsachse
gezeichnet (falls zylindrischer Schachtreaktor). Der äussere
Gaseintritt 7 und der innere Gaseintritt 8 sind
dargestellt. Für den Fall, dass neben äusserem
und innerem Gaseintritt noch ein zusätzli cher Gaseintritt
(Mittenbegasung 18) eingebaut wird, kann dies für
den zylindrischen Reaktor in Form eines Ringdaches 17 ausgeführt werden.
Es können aber auch zwei oder mehrere zusätzliche
Ringdächereinbauten zwischen Aussen- und Innenbegasung
zwecks Begasung oder auch nur zur Produktauflockerung eingebaut
werden. Für den zylindrischen Reaktor werden nun die folgenden
Abstände, Radien und Winkel definiert:
- AP1
- = Produktfläche
(Ringfläche) im engsten Querschnitt zwischen Innen- und
Mittenbegasung
- AP2
- = Produktfläche
(Ringfläche) im engsten Querschnitt zwischen Mitten- und
Aussenbegasung
- AGM
- = Querschnittsfläche
durch Schüttung (Ringfläche) des Gaseintritts
aussen
- AGE
- = Querschnittsfläche
durch Schüttung (Ringfläche) des Gaseintritts
innen
- AG1
- = Querschnittsfläche
durch Schüttung (2 Ringflächen) des mittleren
Gaseintritts
- RGMA
- = Radius der Aussenbegasung
Aussenseite
- RGMI
- = Radius der Aussenbegasung
Innenseite
- RGEA
- = Radius der Innenbegasung
Aussenseite (Verdrängerkörper 10a)
- RGEI
- = Radius der Innenbegasung
Innenseite (Verdrängerkörper 10b)
- RG1A
- = Radius Mittenbegasung
1 Aussenseite
- RG1I
- = Radius Mittenbegasung
1 Innenseite
- dH
- = Vertikaler Abstand
zwischen Aussenbegasung und Innenbegasung
-
6. Berechnungen:
-
Der
Reaktor weist erfindungsgemäss zumindest eine innere Gaseintrittsöffnung
auf, die sich im Einbau befindet und eine äussere Gaseintrittsöffnung auf,
die sich im Mantelbereich befindet.
-
Die
innere Gaseintrittsöffnung wird von einer Innenkante und
einer Aussenkante begrenzt, wobei die Innenkante einen Abstand von
der Zentrumsachse des Schachtes RGEI aufweist
und die Aussenkante einen Abstand von der Zentrumsachse des Schachtes
RGEA aufweist.
-
Die äussere
Gaseintrittsöffnung wird von einer Innenkante und einer
Aussenkante begrenzt, wobei die Innenkante einen Abstand von der
Zentrumsachse des Schachtes RGMI aufweist
und die Aussenkante einen Abstand von der Zentrumsachse des Schachtes
RGMA aufweist.
-
Weist
der Reaktor Gaseintrittsöffnungen aus zusätzlichen
Einbauten auf, so erfolgt deren Nummerierung (n) von innen nach
aussen, und die entsprechenden Abstände werden mit RGnI und RGnA für
die jeweiligen Innenkanten, respektive Aussenkanten bezeichnet.
-
Erfindungsgemäss
sollen die Gaseintrittsöffnungen im wesentlichen alle auf
gleicher Höhe angeordnet sein. Zumindest müssen
sie im Bereich eines vertikalen Abstandes dH angeordnet sein, wobei
dH geringer ist, als die Differenz der radialen Abstände von
der Zentrumsachse zwischen der Innenkante der äusseren
Gaseinlassöffnung (RGMI) und der
Aussenkante der inneren Gaseinlassöffnung (RGEA) dH < RGMI – RGEA
-
Die
Länge der Kanten, über die das Gas in den Reaktor
einströmt (LG), ergibt sich aus der Summe des Umfangs der
Innenkanten der äusseren Gaseinlassöffnungen (UGMI) plus dem Umfang der Aussenkanten der
inneren Gaseinlassöffnungen (UGEA).
-
Für
ringförmige Gaseinlasse in einen Reaktor mit rundem Querschnitt
ergibt sich: LG = 2·Pi·(RGMI + RGEA)
-
Erfindungsgemäss
soll die Länge der Kanten, über die das Gas in
den Reaktor einströmt (LG), ein Verhältnis zum
Umfang des Reaktors im zylindrischen Bereich (UZ)
bilden, wobei LG/UZ zwischen 1 und 1.6,
insbesondere grösser als 1.1 und/oder kleiner als 1.5 liegt.
-
Weist
der Reaktor Gaseintrittsöffnungen aus zusätzlichen
Einbauten auf, so wird deren umströmte Kantenlänge
(LGn) dazugezählt, woraus sich
eine totale Kantenlänge (LGt) ergibt: LGt = LG + Summe (LGn)
-
Gemäss
einem Unteranspruch soll die totale Länge der Kanten, über
die das Gas in den Reaktor einströmt (LGt),
ein Verhältnis zum Umfang des Reaktors im zylindrischen
Bereich (UZ) bilden, wobei LGt/UZ zwischen 1 und 5, insbesondere grösser
als 2 und/oder kleiner als 4 liegt.
-
Die
minimale Produktdurchlassfläche (AP) beschreibt die minimale
Fläche, durch die das Schüttgut im Begasungsbereich
fliessen muss.
-
Die
minimale Produktdurchlassfläche (AP) ergibt sich dabei
je nach Form des Reaktorquerschnitts aus den radialen Abständen
von der Zentrumsachse des Schachtes zwischen Begrenzungen der Gaseinlassöffnungen
unter Berücksichtigung der Neigung der Begrenzungen. Für
einen Reaktor mit rundem Querschnitt und einem runden Einbau ergibt sich,
wenn die innere und äussere Gaseintrittsöffnung
auf gleicher Höhe angeordnet ist: AP
= Pi·(RGMI^2 – RGEA^2)
-
Weist
der Reaktor Gaseintrittsöffnungen aus zusätzlichen
Einbauten auf, wird die Summe der einzelnen minimalen Produktdurchlassflächen
(APn) gebildet. AP =
Summe(APn)
-
Die
Querschnittsfläche des Schachtes im zylindrischen Bereich
(APZ) ergibt sich aus einem Querschnitt
durch den Reaktor im zylindrischen Bereich an einer Position, die
nicht durch örtliche Einbauten reduziert ist. Enthält
der Reaktor Einbauten, die sich über die gesamte Höhe
erstrecken, so müssen diese abgezogen werden.
-
Bei
einem zylindrischen Reaktor ergibt sich die Querschnittsfläche
aus dem Reaktordurchmesser Dz wie folgt: APz = Dz^2·Pi/4
-
Erfindungsgemäss
soll die Querschnittsfläche des Schachtes im zylindrischen
Bereich (APZ) ein Verhältnis zur
Summe der minimalen Produktdurchlassflächen im Begasungsbereich
(AP) bilden, wobei APZ/AP zwischen 1.5 und
4, insbesondere grösser als 1.8 und/oder kleiner als 3,7
liegt.
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Die
Fläche der Gaseinlassöffnungen (AG) beschreibt
die Fläche, über die das Gas in das Schüttgut
eintritt, und beschreibt somit eine freie Schüttgutoberfläche.
-
Die
Fläche der Gaseinlassöffnungen (AG) ergibt sich
dabei je nach Form des Reaktorquerschnitts aus den radialen Abständen
von der Zentrumsachse des Schachtes der inneren und äusseren
Begrenzung der Gaseinlassöffnungen unter Berücksichtigung
eines Produktschüttwinkels (β).
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Für
den Produktschüttwinkel wird typischerweise für
granulatförmige oder körnige Produkte ein Winkel
von 30° bis 40° beobachtet, wobei 35° eingesetzt
wird, wenn keine genaueren Messungen vorliegen.
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Für
einen ringförmigen Gaseinlass im Mantelbereich in einen
Reaktor mit rundem Querschnitt ergibt sich: AGM = (RGMA/COS(β))^2·Pi – (RGMI/COS(β))^2)·Pi,
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Für
einen ringförmigen Gaseinlass im Einbaubereich in einen
Reaktor mit rundem Querschnitt ergibt sich: AGE = (RGEA/COS(β))^2·Pi – (RGEI/COS(β))^2)·Pi,
-
Zusammen
ergibt sich: AG = AGM +
AGE
-
Weist
der Reaktor Gaseintrittsöffnungen aus zusätzlichen
Einbauten auf, wird die Summe der einzelnen Flächen der
Gaseintrittsöffnungen (AGn) dazugezählt. AG = AGM + AGE + Summe(AGn)
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Bevorzugterweise
ist die Summe der Flächen der Gaseinlassöffnungen
(AG) ähnlich oder wenig grösser als die Summe
der minimalen Produktdurchlassflächen im Bega sungsbereich
(AP). Zumindest soll die Summe der Flächen der Gaseinlassöffnungen
(AG) ein Verhältnis zur Summe der minimalen Produktdurchlassflächen
im Begasungsbereich (AP) bilden, wobei AG/AP zwischen 0.6 und 3.2,
insbesondere grösser als 1 und/oder kleiner als 3 liegt.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Fläche der äusseren
Gaseinlassöffnungen (AGM) nicht
wesentlich von der Fläche der inneren Gaseinlassöffnungen
(AGE) abweicht. Zumindest soll die Fläche
der äusseren Gaseinlassöffnungen (AGM)
ein Verhältnis zur Fläche der inneren Gaseinlassöffnungen
(AGE) bilden, wobei AGM/AGE zwischen 1.4 und 4, insbesondere grösser
als 2 und/oder kleiner als 3.2, liegt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4040246 [0002]
- - US 4276261 [0004]
- - US 2004/0076555 [0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Krambrock
et al. [0002]
- - Kerscher et al. [0004]
- - Modern Polyesters, Wiley Series in Polymer Science, Edited
by John Scheirs, J. Wiley & Sons
Ltd, 2003; Kapitel 4.2 [0048]
- - Modern Polyesters, Wiley Series in Polymer Science, Edited
by John Scheirs, J. Wiley & Sons
Ltd, 2003; Kapitel 4.1 [0048]