DE10303836B4 - Strahlschichtapparat zur Durchführung physikalischer, chemischer und/oder biologischer Prozesse an körnigem, nichtklebrigem Schüttgut - Google Patents

Abstract

Strahlschichtapparat zur Durchführung physikalischer, chemischer und/oder biologischer Prozesse an körnigem, nichtklebrigem Schüttgut, mit
• einer Strahlkammer (3) und einer Abscheidekammer (6), die Ein- und Auslässe sowie Leiteinrichtungen für Fluidisierungsgas und zu behandelndes Schüttgut aufweisen, wobei außerhalb der stirnseitigen Bereiche der Strahlkammer (3) und der Abscheidekammer (6) zwei horizontal beabstandete senkrechte Querschnitte durch Strahlkammer (3) und Abscheidekammer (6) eine identische Kontur aufweisen,
• einem Wärmeaustauscher (12) zur Temperierung des Schüttgutes und einem Verteiler zum Eintrag mindestens eines Fluids oder einer Suspension in das Schüttgut, die in der Strahlkammer (3) in räumlicher Nähe zueinander im Bereich des sich abwärts bewegenden Schüttgutes angeordnet sind und im Betriebszustand mindestens teilweise vom Schüttgut umströmt werden,
• einer ersten Begrenzungswand (13), die in der Strahlkammer (3) mit Abstand längs der dem Schüttgut zugewandten Seite (25) der Einströmkammer (17) benachbart ist, wobei die zwei genannten Wände (13; 25) einen Kanal (26) begrenzen, in dem...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Strahlschichtapparat zur Durchführung physikalischer, chemischer und/oder biologischer Prozesse an körnigem, nichtklebrigem Schüttgut. Die Erfindung ist bevorzugt als Wärmeaustauscher-Reaktor für kleinkörniges, nichtklebriges Schüttgut in chemischen, pharmazeutischen und biotechnologischen Forschungs- und Industriebereichen sowie in der Nahrungsmittel-Forschung und -Industrie verwendbar.
• Apparate mit Strahlschicht und spaltförmigen Gasanströmeinrichtungen zur Zuführung des Hauptgasstroms (Fluidisierungsgas), der das Fluidisieren des Materials ermöglicht, sind bekannt (z. B. DE 3400397 C2 , EP 1125629 A2 ). Diese Apparate werden haupsächlich als Trockner für körnige, nichtklebrige Materialien verwendet. Einige von ihnen benutzen Inertkörper. Ein Nachteil dieser Apparate ist ihr großer hydraulischer Widerstand (Druckverlust) zu Beginn der Fluidisation des Schüttgutes. Das erfordert den Einsatz eines Hochdruckventilators, der durch einen Hochleistungselektromotor angetrieben wird.
• Bekannt sind auch Strahlschichtapparate zur Wärmebehandlung von körnigem, nichtklebrigem Schüttgut, bei denen Wärmeaustauscher, bevorzugt Rohr-Wärmeaustauscher, in der Strahlschicht angeordnet sind (z. B. DE 3442400 C2 ). Der Nachteil dieser Lösung besteht in der meist nur relativ niedrigen Wärmeübergangszahl α [W/m2K] zum zwischen den Rohren befindlichen Schüttgut, was die geringe Effektivität des ganzen Wärmeaustauschsystems bestimmt. Eine solche Lösung ist deshalb z. B. zur gezielten Temperaturführung von chemischen Reaktionen, die im Strahlschichtapparat ablaufen, nur bedingt geeignet.
• Desweiteren ist aus der JP 60-11583 AA ein Apparat zur Kühlung gasförmiger, hocherhitzter Kohlenwasserstoffe offenbart. Dieser Apparat verwendet zur Gaskühlung einen Wärmeübergang vom heißem Gas auf kühlere Feststoffpartikel, die in einem inneren Rohr vom heißen Gas in einer Strahlschicht pneumatisch aufwärts gefördert, im Kopfteil des Apparates vom Gas getrennt und in einem das innere Rohr umgebenden Hohlzylinder als Rutschschicht zur Eintrittsöffnung in die Strahlschicht zurück gefördert werden. Die im Apparat zirkulierenden inerten Feststoffpartikel fungieren somit als lediglich als Wärmeträger einer Feststoff-Umlauf-Kühlung (bzw. -Heizung), wobei sie in der Strahlschicht vom heißen Gas Wärme aufnehmen und nachfolgend in der Rutschschicht fühlbare Wärme an dort angeordnete konventionelle Wärmeübertrager abgeben.
• Aus der DE 695 27 707 T2 ist schließlich ein axialsymmetrisch gestalteter Fließbett-Reaktor bekannt, der einen aus mehreren Einheiten horizontal orientierter Rohre bestehenden Wärmeaustauscher sowie mehrere Fluidverteiler aufweist. Diese Anordnung der Fluidverteiler bewirkt jedoch in dem Raumbereich, in dem die Wärmetauscher angeordnet sind, keine Prozessfunktion des aus den Fluidverteilern austretenden Gases bezüglich der Feststoffpartikel, insbesondere keinen Ausgleich des Temperaturfeldes zwischen den Wärmeaustauschrohren.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlschichtapparat zu schaffen, mit dem die Durchführung physikalischer, chemischer und/oder biologischer Prozesse an körnigem, nichtklebrigem Schüttgut bei gleichzeitig verbesserter Temperaturführung solcher Prozesse möglich ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich unmittelbar aus den abhängigen Ansprüchen. Das dem erfindungsgemäßen Strahlschichtapparat zugrundeliegende Prinzip kann auch in doppelseitigen Strahlschichtapparaten angewendet werden.
• Es ist für die Erfindung charakteristisch, dass die Strahlschicht in dem Bereich, in dem der von Kanalwänden begrenzte Schüttgutstrom entlang des Wärmeaustauschers und des in seiner Nähe angeordneten Fluid-Verteilers abwärts strömt, zu einer Feststoffschüttung aufgestaut wird, deren Partikel eine durch den freien Kanalquerschnitt vorgegebene mittlere Abwärtsgeschwindigkeit besitzen. In einem der häufigsten Anwendungsfälle der Erfindung wird mit dem Fluid-Verteiler in diese Feststoffschüttung ein Gas eingetragen, das die Temperierung der Feststoffschüttung unterstützen kann, insbesondere auch durch partielle Fluidisierung der Feststoffschüttung, und/oder mindestens einen Reaktanden enthält. Das Fluidisierungsgas und das mit dem Fluid-Verteiler eingetragene Gas können sich daher sowohl bezüglich ihrer chemischen Bestandteile und als auch ihrer Temperatur unterscheiden. Dies ermöglicht günstige Bedingungen sowohl für Intensivheizung bzw. Intensivkühlung des Schüttgutes als auch für die Durchführung von chemischen Reaktionen bei bestimmten Temperaturen im System „Gas-Feststoff-Gas".
• In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung bestehen der Wärmeaustauscher und/oder der Fluid-Verteiler aus mehreren Einheiten , wodurch Standardbaugruppen verwendbar werden oder die Umrüstung des Strahlschichtapparates vereinfacht wird.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Begrenzungswand und/oder die Leiteinrichtungen in dem Kanal für das sich abwärts bewegende Schüttgut unterhalb des Wärmeaustauschers und des Fluid-Verteilers als Staubleche für das sich abwärts bewegende Schüttgut ausgebildet oder weisen solche Staubleche auf und leiten das Schüttgut in Richtung auf den Fluidisierungsgas-Einlass der Strahlkammer.
• Die wichtigsten Vorteile der Erfindung sind:
• • bei gleichzeitiger Anwendung von konvektiver und konduktiver Arbeitsweise vergrößert sich der Effekt der Wärmebehandlung von körnigen, nichtklebrigen Schüttgütern
• • es ist möglich, zur Bearbeitung des Schüttgutes mindestens zwei Gasströme einzusetzen, welche sowohl gleiche oder verschiedene Temperaturen oder gleiche oder verschiedene chemische Bestandteile haben können
• • im System „Gas-Feststoff-Gas" können bei in engen Grenzen eingestellten Temperaturen chemische Reaktionen durchgeführt werden
• • der Strahlschicht- und Anströmbodendruckverlust wird gering, was den Energieverbrauch verringert
• • die Strömungsgeschwindigkeit des Schüttgutes zwischen den Wärmeaustauscherflächen lässt sich regulieren und wird mit der Zugabe des Schüttgutes zum Apparat synchronisiert
• Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 einen Querschnitt eines schematisierten Strahlschichtapparates mit einer Strahlkammer und einer daran oben anschließenden Abscheidekammer,
• 2 die Außenansicht des Apparates aus der in 1 als "Ansicht A "bezeichneten Richtung
• 3 einen Querschnitt des unteren Teils der Strahlkammer entlang der Linie F-F in 1
• Der in 1 bzw. in 2 dargestellte Strahlschichtapparat umfasst eine Strahlkammer 3 und eine darüber angeordnete Abscheidekammer 6.
• An den Stirnseiten 1 und 2 der Strahlkammer 3 sind über Dichtungen eine mit einem Wärmeträger-Einlass 8 versehene quaderförmige Einströmkammer 4 und eine mit einem Wärmeträger-Auslass 9 versehene Auströmkammer 5 für einen flüssigen Wärmeträger fest eingeschraubt. Die beiden Kammern 4 und 5 sind mit zwei gleichen vertikal-orientierten Rohrböden 10 und 11 verbunden; in deren Bohrungen sind horizontal-orientierte Wärmeaustauscherrohre 12 für flüssige Wärmeträger eingeschweißt.
• Die Wärmeaustauscherrohre 12 sind von links über die ganze Länge von der ersten Begrenzungswand 13 begrenzt, die im unteren Teil nach rechts gebogen ist und als Staublech 14 für das Schüttgut dient. Das Staublech 14 ist mit einer verlängerten Lamelle 15 überdeckt.
• Die erste Begrenzungswand 13 lässt sich nach rechts und links in bestimmten Grenzen verschieben. Die Verlängerungslamelle 15 lässt sich verschieben und zu dem Staublech 14 regulierbar fixieren.
• Der rechte Teil der Wärmeaustauscherrohre 12 ist durch einen unverschiebbaren vertikalen Rohrboden 16 begrenzt, der auch die Wand der einen Eintrittstutzen 18 aufweisenden Einströmkammer 17 des Fluid-Verteilers bildet. Am Rohrboden 16 ist eine bestimmte Zahl von Düsenrohren 19 eingeschweißt, die linksseitig verschlossen sind. Die Düsenrohre 19 werden reihenförmig, unterhalb und senkrecht zu den Wärmeaustauscherrohren 12 eingebaut. An den vertikalen Rohrboden 16 des Fluid-Verteilers schließt sich nach unten ein nach links gebogenes zweites Staublech 20 für das Schüttgut an.
• Die erste Begrenzungswand 13 und die dem Schüttgut zugewandte Seite 25 der Einströmkammer 17 begrenzen einen Kanal 26, in dem sich sowohl das Schüttgut abwärts bewegt als auch die Wärmeaustauscherrohre 12 und der als Düsenrohre 19 ausgebildete Fluid-Verteiler angeordnet sind.
• Die zweite Begrenzungswand 21 bildet mit der Strahlkammerwand 27 einen Kanal 7 für das sich in der Strahlkammer aufwärts bewegende Schüttgut. In diesen Kanal 7 sind eine Anzahl Schaufeln montiert. In 1 sind diese Schaufeln im Interesse der Übersichtlichkeit weggelassen. Gemäß 3 bestehen die Schaufeln aus einem unbeweglichen Schaufelabschnitt 22, der an der Wand 21 befestigt ist und mit einer Hülse endet, in die eine drehbare Achse 23 eingesteckt ist. Die Achse 23 ist mit dem beweglichen Schaufelabschnitt 24 so verbunden, dass sie ihre Lage ändern und sich auf einen Winkel α zur vertikalen Achse einstellen kann. Die Achse 23 ist aus dem Apparat nach außen geführt und besitzt dort einen Anzeiger, mit dessen Hilfe man den Winkel α einstellen kann.
• Der Wärmeaustausch-Reaktor kann bespielsweise unter folgenden Bedingungen als Kühler für Granulate arbeiten:
  Der Stutzen B der Strahlkammer 3 ist vorbeugend in geeigneter Weise reguliert. Durch diesen Stutzen strömt Luft ein, die durch den Stutzen W von einem Lüfter angesaugt wurde. Die Luftgeschwindigkeit am Eingang der Strahlkammer 3 ist so bemessen, dass ein Regime der Normalstrahlschicht existiert. Das heiße Granulat fließt über eine Dosiereinrichtung vom Stutzen G auf die Oberseite der Horizontal-Wärmeaustauschrohre 12 aus. Die Wärmeaustauschrohre 12 sind versetzt angeordnet und das Schüttgut fließt zwischen ihnen hindurch nach unten. Zwischen die Schüttgutpartikel wird durch die Düsenrohre 19 des Fluid-Verteilers über die Einströmkammer 17 ein zweiter Luftstrom eingeleitet. Diese Luft gleicht das Temperaturfeld zwischen den Wärmeaustauschrohren 12 aus und bringt die Partikel, die sich auf den Außenseiten dieser Rohre befinden, in zusätzliche Bewegung. Im Inneren der Wärmeaustauschrohre 12 fließt Kühlwasser, das durch den Wärmeträger-Einlass 8 der Einströmkammer 4 zuströmt, durch die Rohre 12 zur Auströmkammer 5 fließt und durch den Wärmeträger-Auslass 9 aus dem Apparat ausströmt.
• Das Schüttgut fließt zwischen den Wärmeaustauschrohren 12 mit einer Geschwindigkeit u, die sich durch die Einstellung des Dosierapparats und durch die Lage der Lamelle 15 des Staubleches 14 regulieren lässt. Das Schüttgut fließt gleichmäßig auf den gerundeten Boden der Strahlkammer 3 und weiter in den Kanal 7, der aus dem Blech 21 und der Strahlkammerwand 27 gebildet wird, wird dann vom Grundluftstrom aus dem Stutzen B beschleunigt und nach oben transportiert, wobei konvektiver Wärmeaustausch auftritt. Die unbeweglichen Schaufeln 22 richten den Luft- und den Schüttgutstrom nach oben und die vorher fixierten Schaufeln 24 lenken das Schüttgut entsprechend dem Winkel α nach rechts und regulieren so die Verweilzeit des Schüttguts im Apparat.
• Durch den im oberen Abschnitt gebogenen Kanal 7 wird der Luftstrom mit dem aufwärts transportierten Schüttgut abgelenkt, so kommt das Schüttgut wieder auf die Oberfläche der Wärmeaustauschrohre 12 und die Kühlung wiederholt sich. Die Granulate überqueren die Breite des Apparates von links nach rechts innerhalb einer bestimmten Zeit, werden dabei gekühlt, verlassen die Strahlkammer 3 und werden durch den Stutzen E in einen Sammelbehälter gegeben.
• Bei Erwärmung oder einer chemischen Reaktion im System „Gas-Feststoff-Gas" verläuft die Dosierung und die Bewegung des Schüttguts im Apparateinneren genau so, wie es oben beschrieben wurde. Weiterhin ist es möglich, dass durch den Stutzen B und und den Eintrittstutzen 18 des Fluid-Verteilers Gase zuströmen, die verschiedene Temperaturen und verschiedene chemische Bestandteile haben. Durch das Wärmeaustauschsystem der Wärmeaustauscherrohre 12 können Wärmeträger wie z. B. Wasserdampf, hocherhitzte Öle, oder flüssige Metalle geleitet werden.

Claims (10)

1. Strahlschichtapparat zur Durchführung physikalischer, chemischer und/oder biologischer Prozesse an körnigem, nichtklebrigem Schüttgut, mit • einer Strahlkammer (3) und einer Abscheidekammer (6), die Ein- und Auslässe sowie Leiteinrichtungen für Fluidisierungsgas und zu behandelndes Schüttgut aufweisen, wobei außerhalb der stirnseitigen Bereiche der Strahlkammer (3) und der Abscheidekammer (6) zwei horizontal beabstandete senkrechte Querschnitte durch Strahlkammer (3) und Abscheidekammer (6) eine identische Kontur aufweisen, • einem Wärmeaustauscher (12) zur Temperierung des Schüttgutes und einem Verteiler zum Eintrag mindestens eines Fluids oder einer Suspension in das Schüttgut, die in der Strahlkammer (3) in räumlicher Nähe zueinander im Bereich des sich abwärts bewegenden Schüttgutes angeordnet sind und im Betriebszustand mindestens teilweise vom Schüttgut umströmt werden, • einer ersten Begrenzungswand (13), die in der Strahlkammer (3) mit Abstand längs der dem Schüttgut zugewandten Seite (25) der Einströmkammer (17) benachbart ist, wobei die zwei genannten Wände (13; 25) einen Kanal (26) begrenzen, in dem sich sowohl das Schüttgut abwärts bewegt als auch der Wärmeaustauscher (12) und der Fluid-Verteiler angeordnet sind, • einer zweiten Begrenzungswand (21), die in der Strahlkammer (3) mit Abstand längs der Strahlkammerwand (27) angeordnet ist, entlang der sich das Schüttgut aufwärts bewegt, und • zumindest abschnittsweise beweglichen Schaufeln (22; 24), die im unteren Abschnitt des von der zweiten Begrenzungswand (21) und der Strahlkammerwand (27) gebildeten Kanals (7) als Leiteinrichtung für die sich aufwärts bewegende Strahlschicht angeordnet sind.
2. Strahlschichtapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (12) aus mehreren Einheiten besteht, wobei verschiedene Wärmeaustauscher-Einheiten eine unterschiedliche Anzahl und/oder Geometrie der Wärmetauscherflächen aufweisen können.
3. Strahlschichtapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (12) ein Rohr-Wärmeaustaucher mit einer oder mehreren Reihen von vorzugsweise horizontal orientierten Rohren ist, deren Abstand voneinander so gewählt ist, dass das Schüttgut einerseits sich zwischen den Rohrreihen bewegen kann und andererseits ausreichend Kontakt mit den Rohren hat.
4. Strahlschichtapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid-Verteiler aus mehreren Einheiten besteht, wobei verschiedene Fluid-Verteiler-Einheiten eine unterschiedliche Anzahl und/oder Geometrie der Fluid-Austrittsöffnungen aufweisen können.
5. Strahlschichtapparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid-Verteiler ein Düsenrohr (19) oder eine Reihe von vorzugsweise horizontal orientierten Düsenrohren (19) ist, deren Abstand voneinander der Größe der Schüttgut-Partikel angepasst ist.
6. Strahlschichtapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (26) für das sich abwärts bewegende Schüttgut Leiteinrichtungen für dieses Schüttgut und/oder für das in das Schüttgut eingetragene Fluid oder für die in das Schüttgut eingetragene Suspension angeordnet sind.
7. Strahlschichtapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswand (13) und/oder die Leiteinrichtungen im Kanal (26) für das sich abwärts bewegende Schüttgut unterhalb des Wärmeaustauschers (12) und des Fluid-Verteilers als Staubleche (14; 20) für das sich abwärts bewegende Schüttgut ausgebildet sind oder solche Staubleche aufweisen und das Schüttgut in Richtung auf den Fluidisierungsgas-Einlass der Strahlkammer (3) leiten.
8. Strahlschichtapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass des Kanals (26) für das sich in der Strahlkammer (3) abwärts bewegende Schüttgut in der Nähe des Fluidisierungsgas-Einlass der Strahlkammer (3) angeordnet ist.
9. Strahlschichtapparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • an den Stirnseiten der Strahlkammer (3) je eine mit einem Wärmeträger-Einlass (8) versehene Einströmkammer (4) und eine mit einem Wärmeträger-Auslass (9) versehene Ausströmkammer (5) für Rohrböden (10) und (11) vorgesehen sind, in deren Öffnungen durch die Strahlkammer (3) verlaufende Wärmeaustauscher-Rohre (12) für flüssige Wärmeträger eingepasst sind, • an der Strahlkammerwand (25) eine mit einem Eintrittstutzen (18) versehene Einströmkammer (17) für mindestens ein Düsenrohr (19) des Fluid-Verteilers angeordnet ist und • die Staubleche (14; 20), die in dem Kanal (26) für das sich abwärts bewegende Schüttgut angeordnet sind, und/oder der Auslass des genannten Kanals (26) in einer zur Steuerung der mittleren Abwärtsgeschwindigkeit der Schüttgut-Partikel geeigneten Weise verstellbar ausgebildet sind.
10. Strahlschichtapparat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Begrenzungswand (13) in der Strahlkammer (3) und den Wärmeaustaucher-Rohren (12) einstellbar ist und mindestens eines der Staubleche (14; 20) eine verschiebbare Lamelle (15) aufweist.