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Wirbelschichtreaktor Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor,
der in bekannter Weise aus einem aufrecht stehenden Behälter von kreisförmigem Querschnitt
besteht und zur Aufnahme verwirbelter Feststoffe dient, die durch einen nach oben
gehenden Gasstrom in aufgewirbeltem Zustand gehalten werden. Derartige Wirbelschichtreaktoren
benutzt man für die verschiedensten Umsetzungen, z. B. das Rösten von Erzen, die
Trocknung feuchter Feststoffe, die Schwelung oder Verbrennung von Kohle, die Aufarbeitung
von Ölschiefer und die verschiedenartigsten Umsetzungen von Erdölen, z. B. die Verkokung
von Erdöl in Berührung mit festen Wirbelschichtteilchen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in Behältern für die aufzuwirbelnden
Feststoffe eine Rostplatte anzubiingen, um eine gleichmäßige Verteilung der zur
Aufwirbelung dienenden, nach oben ziehenden Gase oder gasförmiger Reaktionsteilnehmer
durch das ganze Wirbelschichtbett zu erreichen. Bei früheren Bauarten ordnete man
diese Rostplatte innerhalb des Wirbelschichtbettes an ; bei hohen Betriebstemperaturen
waren hierfür Speziallegierungen erforderlich, um den stark erodierenden und korrodierenden
Einwirkungen der Feststoffe widerstehen zu können. Diese Legierungen sind gewöhnlich
nicht schweißbar. Bei späteren Bauarten brachte man die Rostplatte unterhalb des
Bettes an, so daß das durchtretende Aufwirbelungsgas, das gewöhnlich kälter als
die Feststoffe ist, die Rostplatte beim Durchströmen kühlte. Die Löcher in der Rostplatte
waren so ausgebildet, daß sie ein Druckgefälle über die Platte hinweg verursachten,
das genügend hoch war, um durch die dadurch bedingte Geschwindigkeit der Gase das
Abwärtssinken größerer Mengen der aufgewirbelten Feststoffe durch die Platte zu
verhindern. Hierbei konnte, beispielsweise bei der Regeneration von Kontaktmassen
aus einem katalytischen Crackverfahren für Gasöl, die Temperatur der Rostplatte
unter 315°C gehalten werden, so daß die Platte aus einfachen Kohlenstoffstählen
bestehen konnte. In der Praxis wurden dann auch die Behälter innen isoliert, um
die Behälterwandung auf niedriger Temperatur, z. B. etwa 150 bis 260°C, halten zu
können.
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Bei der letztgenannten Bauart, bei der die Rostplatte das Wirbelbett
trägt, ruht die Platte gewöhnlich auf einer Reihe von über den Behälterumfang verteilten
Laschen oder Nocken, wobei diese an den Behältermantel angeschweißt sind. Die Platte
wurde dabei mit den Laschen verschraubt, und die Gewindebohrungen der Schrauben
waren geschlitzt, um die durch die Wärme verursachte Bewegung zwischen der Platte
und der kühleren Behälterwandung zu ermöglichen. Es war jedoch nicht möglich, die
einzelnen Laschen zu einem zusammenhängenden Tragring zu vereinigen, da bei höheren
Temperaturen unerwünscht hohe thermische Spannungen in dem Ring wie auch der Behälterwandung
auftraten, insbesondere wenn die Behälter innen isoliert waren.
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Da die Laschen getrennt voneinander liegen, war eine Abdichtung für
die Rostplatte erforderlich, um ein Durchströmen der Gase und auch der aufgewirbelten
Feststoffe zwischen den Laschen und dem äußeren Rand der Platte oder auch durch
die Isolierung des Behälters zu verhindern. Zu diesem Zwecke hat man bereits eine
dünne biegsame Membran aus nichtrostendem Stahl an eine an der Behälterwand befestigte
Gassperre geschweißt, die sich bis über die Rostplatte erstreckte und an dieser
befestigt wurde. Diese Abdichtungsvorrichtung hatte bei einer Ausführungsform im
Querschnitt die Form eines umgekehrten V. Hierdurch wurde zwar eine positive mechanische
Abdichtung erreicht, bei der jeder Gasdurchtritt um die Ränder der Platte herum
und durch freie Spielräume verhindert war, wie sieetwabei denSchraubenlöchern der
Rostplattenträger vorlagen ; doch hat sich diese Art der Abdichtung als umständlich
und kostspielig erwiesen und war auch nicht ganz befriedigend. Insbesondere neigte
sie zur Erosion und erlaubte, wenn sie auch eine Bewegung zwischen Platte und Behältermantel
in der Waagerechten ausgleichen konnte, nur geringfügige Bewegungen in der Senkrechten,
ohne zu reißen. Da diese Dichtung notwendigerweise sehr dünn war, konnte sie auch
sehr hohe Druckgefälle beiderseits der Platte nicht aushalten ; derartige Gefalle
können aber bei Wirbelschichtverkokung ziemlich hoch sein.
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Die Erfindung betrifft eine verbesserte Anordnung der gelochten Rostplatte
mit gleichzeitiger Abdichtung an ihren Rändern, wobei diese und andere Schwierigkeiten
behoben werden. Erfindungsgemäß ist die Rostplatte auf einem Tragring angeordnet,
wobei der Ring die Ränder der Platte in solcher Weise umschließt, daß ein Durchgang
von Gasen nach der Oberseite der Platte hin um deren
Ränder herum
verhindert wird, und wobei der Tragring wenigstens teilweise von den Wandungen des
Behälters isoliert ist. Hierbei wird die Mindestbreite des Tragringes durch die
Formel dL > bestimmt, in der das Temperaturgefälle über den Tragring, D den Durchmesser
dieses Ringes, t seine Stärke, L die Breite des Ringes und T seine Temperatur bedeutet.
Durch diese neuartige Ausbildung der Rostplatte ist es möglich, alle auftretenden
Unterschiede in der Wärmeausdehnung und -zusammenziehung auszugleichen, und außerdem
ergibt der Tragring eine hinreichend feste Auflage für die Platte und verhindert
mit Sicherheit das Durchströmen von Gasen um die Ränder der Platte herum.
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Die Rostplatte kann an dem Tragring aufgehängt oder auch auf ihn
gelegt sein, und der Tragring ist vorzugsweise an die Wandungen des Behälters angeschweißt.
Hierbei ist meist ein beträchtlicher Teil des Tragringes senkrecht angeordnet. Wenn
der Reaktionsbehälter einen kegelförmigen Boden hat, wird der Tragring zweckmäßig
am oberen Ende des Kegels befestigt und verläuft dann gänzlich senkrecht. In der
Zeichnung zeigt Abb. 1 einen Behälter für Wirbelschichtreaktoren in Berührung mit
aufgewirbelten reinen Feststoffen, die sich auf einem Tragrost nach der Erfindung
befinden ; Abb. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung.
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Bei der Anordnung nach Abb. 1 enthält der Behälter ein Bett 2 aus
aufgewirbelten Feststoffen, deren obere Grenzfläche mit 3 bezeichnet ist. Das Wirbelschichtbett
kann beispielsweise aufgewirbelte Koksteilchen enthalten, die unter Durchleitung
von Luft von unten nach oben oxydiert und aufgeheizt werden, worauf sie die so erzeugte
Wärme einem Kohlenwasserstofföl-Verkokungsbehälter zuführen. Abgekühlte Feststoffteilchen
aus dem Verkokungsbehälter werden im Kreislauf herangeführt und treten durch die
Leitung 4 von unten in den Behälterl ein. Die wieder aufgeheizten Feststoffe, deren
Temperatur 40 bis 200°C über der gewünschten Verkokungstemperatur liegt, verlassen
den Behälter 1 durch die Leitung 5.
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Am Boden des Behälters 1, der vorzugsweise konisch ausgebildet ist,
wird Luft durch die Leitung 6 zugeführt, die den Koks oberhalb der Rostplatte 9
aufwirbelt und teilweise verbrennt. Die Abgase verlassen den Behälter 1 durch die
Leitung 7, nachdem mitgeführte Feststoffe in dem Zyklonsystem 8 abgeschieden worden
sind.
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Die runde Rostplatte 9 trägt das Wirbelbett 2 und verteilt die Verbrennungsluft
gleichmäßig über den ganzen Querschnitt des Behälters. Sie ist ringsum in einem
waagerechten Abstand, gewöhnlich von etwa 25 bis 75 mm, von den Behälterwänden angebracht,
so daß sie sich genügend nach den Seiten hin ausdehnen kann. Die Platte wird von
einem Tragring 10 gehalten, der so gebaut ist, daß er die Wärmeausdehnung und-zusammenziehung
zwischen der Platte 9 und dem Behälter 1 zuläßt und sich dem notwendigen Temperaturgefälle
zwischen beiden anpaßt. Er hat einen senkrechten Teil von solcher Länge, daß die
Belastung durch Wärmebiegeausdehnung + Druck auf zulässige Werte beschränkt wird.
Die Länge und Stärke des Ringes sind den jeweiligen Baubedingungen entsprechend
gewählt, wobei die tatsachlichen Abmessungen so sind, daß die vereinigte Druck-und
Biegebeanspruchung innerhalb der für den verwendeten Werkstoff bei der jeweiligen
Temperatur zulässigen Grenzen liegt.
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Wesentlich ist, daß die Mindestlänge des Tragringes durch die obengenannte
Formel gegeben wird. Bei den meisten Reaktoren ist die senkrechte Höhe des Ringes
mindestens 45 bis 75 cm. Zur Erreichung eines genügend gleichmäßigen und niedrigen
Wertes des Wärmegefälles über
dem Ring ist es auch wesentlich, daß die Isolierung
11 innerhalb des Behälters sich teilweise (gewöhnlich, wie gezeigt, 45 bis 60 cm
weit) den Ring entlang von den Behälterwänden erstreckt. Hierdurch wird die Biegespannung
in dem Ring vermindert.
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Ein weiteres wichtiges Kennzeichen dieser Bauart besteht darin, daß
der Ring an die Behälterwand angeschweißt ist, vorzugsweise durch lückenlose volle
Einbrennschweißung, um das Durchströmen von Luft und mitgerissenen festen Teilchen
um den Ring herum zu verhindern. Der Ring kann auch an die Rostplatte geschweißt
sein, obwohl man hierfür auch andere Befestigungsmittel nehmen kann.
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Bei Reaktoren von über 3 m Durchmesser ist die Rostplatte 9 vorzugsweise
leicht gewölbt ausgebildet, um die Membranstärke gewölbter Flächen zu haben, wodurch
sie selbsttragend wird und das zum Tragen ebener Rostplatten sonst erforderliche
Traggerüst überflüssig wird.
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Eine abwärts gerichtete Wölbung zieht man dabei einer aufwärts gerichteten
vor, um den verlorenen Raum unterhalb der Rostplatte zu verkleinern.
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Der Krümmungsradius der Rostplatte ist durch ein Kompromiß zwischen
mechanischen und verfahrensmäßigen Erwägungen bedingt. Ist er zu klein, so verursacht
die Tiefe der Wölbung einen merklichen Unterschied im hydrostatischen Druck, den
die wirbelnden Festteilchen auf der Mitte der Platte ausüben, im Vergleich mit dem
am Rand auftretenden. Hierdurch entsteht ein stärkerer Strom durch die Randlöcher,
was zu schlechter Luftverteilung führt.
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Die Rostplatte und der Ring müssen für die schärfsten Betriebsbeanspruchungen
gebaut sein ; dies ist gewöhnlich eine solche Bedingung, bei der die Platte die
Masse der festen Stoffe in unaufgewirbeltem Zustand bei Betriebstemperaturen tragen
muß.
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Bei der Ausführung nach Abb. 2 liegt die Rostplatte oberhalb des
Tragringes, statt von diesem abwärts zu hängen. Diese Bauart ist günstiger, weil
sie eine niedrigere Lage der Platte weiter unten im Reaktor ermöglicht, wodurch
der verlorene Raum unterhalb von ihr verringert wird. Die Rostplatte ist hier mit
20 und der Tragring mit 21 bezeichnet. Der Ring erstreckt sich von dem konischen
Reaktorboden nach oben und ist mit diesem verschweißt.
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Wesentlich ist, daß das feuerbeständige Futter oder die Isolierung
23 des Behälters sich teilweise über den Ring erstreckt, damit das Temperaturgefälle
gleichmäßiger wird.
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Rostplatten und Tragringe der beschriebenen Art können in verschiedenen
Ausführungsformen angewandt werden, z. B. auch so, daß ein Ring zum Tragen von zwei
oder mehreren Rostplatten dient, die senkrecht im Abstand übereinander liegen, oder
man kann eine Mehrzahl konzentrischer Ringe zum Tragen mehrerer übereinanderliegender
Rostplatten benutzen. Bei manchen Anwendungsarten ist es nämlich vorteilhaft, mehrere
Rostplatten zu verwenden, um die Betriebsbedingungen besser variieren zu können.
Beispielsweise kann man zwei Rostplatten benutzen, von denen die untere einen kleineren
Gesamtquerschnitt der Öffnungen hat. Auf diese Weise wird z. B. in einem Reaktor
zur teilweisen Verbiennung von Wirbelschichtkoks, wenn die Geschwindigkeit der eintretenden
Luft normal ist, das Koksbett von der oberen Rostplatte getragen, die einen größeren
freien Gesamtquerschnitt der Löcher hat. Bei geringerer Luftgeschwindigkeit oder
kleinstem Fassungsvermögen, wenn die durch die obere Rostplatte strömende Luft nicht
ausreicht, um ein Zurückströmen von Koks durch diese obere Platte zu verhindern,
wird hingegen das Koksbett von der unteren Platte getragen, bei deren kleineren
Löchern der durchstreichende Luftstrom hierfür noch ausreicht.
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Zur Verhinderung zu hoher Druckabfälle in diesem doppelten Plattensystem
kann man auch bei normalem Betrieb einen Teil der Luft zwischen den Rostplatten
einblasen.
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Das folgende Beispiel soll zur weiteren Erklärung der Erfindung dienen
; es beschreibt einen Verbrennungsreaktor, in dem aufgewirbelter Koks aus einer
Wirbelschichtverkokung von Kohlenwasserstoffölen, dessen Teilchen etwa 40 bis 800
Mikron groß sind, bei etwa 607°C verbrannt wird.
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Beispiel Temperatur, ° C, am Behältermantel 177 innen....................................
607 Druck, atü 0, 84 Luftmenge bei 149°C (trocken) m3, Strömungstag 8950 Kokszufuhr
zum Brenner bei 510°C, t/min.... 3,9 Koksverbrennungsgeschwindigkeit, kg/Std......
1580 Kokshaltung, t............................. 19 Schichtdichte, kg/m3........................
770 Gasgeschwindigkeit in der Schicht, m/sec....... 0,85 Innendurchmesser des Behälters
Mantel, m3.. 3, 81 Behälterfutter, m.......................... 3, 58 Rostplatte,
Durchmesser, m.................. 3, 51 Rostplattenstärke, mm......................
12, 7 Krümmungsradius der Rostplatte, m.......... 7, 62 Gesamtfläche der freien
Offnungen in der Rostplatte, °/0 0, 5 Ap iiber der Rostplatte, at normal...................................
0,35 kurzzeitig................................ 0,71 Gesamthöhe des Tragringes,
cm.............. 61, 0 Höhe des senkrechten Teils im Tra. gring, cm.. 45,7 Stärke
des Tragringes, mm.................. 12, 7