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Verfahren zur Durchführung von physikalischen-und chemischen Prozessen
zwischen feinverteilten Feststoffen und Gasen in ortsfest rotierenden Wirbeln Es
ist bekannt, in einem Reaktionsraum in einer Schüttung von feinverteilten Feststoffen
ein regellos wallendes Wirbelbett zu erzeugen, indem man durch einen Anströmboden,
welcher den größten Teil der Bodenfläche des Reaktionsraumes einnimmt, gasförmige
Medien mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit einführt. Erhöht man die Geschwindigkeit
des eingeführten Mediums, so tritt zuerst Expansion des Bettes ein, und schließlich
entsteht ein Strom von mitgerissenen Feststoffen, wie er zur pneumatischen Förderung
verwendet wird.
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Weiter ist bekannt; ein gasförmiges Medium mit hoher Geschwindigkeit
durch eine Düse unter der Oberfläche einer Schüttung von feinverteilten Feststoffen
einzuführen. Hierbei entsteht bei Einführung am Boden und geringer Größe der Einführungsöffnung
eine lokale Aufwirbelung, welche nicht die gesamte Schüttung gleichmäßig erfaßt.
Werden die Feststoffe mit einem Adhäsionsmittel versehen eingeführt, so bildet sich
innerhalb der Masse eine untere Zone geringer Dichte, welche überlagert und umgeben
ist von einer Zone höherer Dichte, derart, daß unter Bildung von Agglomerationen
eine zentrale Säule aufsteigender Feststoffe entsteht, welche sich radial ausbreitet
und am Rand absinkt, um durch den I<onischen Bodenteil abgelenkt wieder die aufsteigende
Säule zu treffen. Hierbei werden niedere Gasgeschwindigkeiten verwendet.
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Bei genügend großer Einführungsöffnung und hoher Gasgeschwindigkeit
entsteht eine Staubfontäne, welche unter Kanalbildung in der Schüttung große Mengen
von Feststoffen in den Gasraum mitführt.
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Weiter ist bekannt, in einem zylindrischen Reaktionsraum, welcher
ein zentral gelagertes Rohr enthält, durch einen mittels einer Siebplatte eingeführten
Gasstrom eine fiüssigkeitsähnliche Feststoff-Gas-Phase im strömungsrichtenden Zentralrohr
aufwärts zu bewegen und als dichte Feststoffmasse in einen Kreisringraum durch Siebe,
welche als Hindernisse mehrere Zonen begrenzen, mit Zirkulationsströmung absinken
zu lassen.
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Weiter ist bekannt, ein wallendes Wirbelbett durch über den gesamten
Anströmboden verteilte Einzeldüsen oder durch am Boden eines Reaktors angeordnete,
radial über den gesamten Durchmesser des Bodens verlaufende Schlitze zu erzeugen
oder den Boden des Wirbelbettes mit einem Gitter zu bilden, welches nicht mehr als
10°/o freie Öffnungen hat, so daß der Gasstrom in eine Mehrzahl von kleinen Einzelströmen
ohne erheblichen Druckabfall aufgelöst wird, wobei der Gasstrom an mindestens drei
voneinander entfernten Punkten unter das Anströmgitter geführt wird, um seine kinetische
Energie vor dem Gittereintritt zu verteilen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Durchlführung
von physikal-ischen und chemischen Prozessen zwischen feinverteilten Feststoffen,
z. B. Wärmeträgern, Katalysatormaterial, Trockengut, Reaktionsgut, mit gasförmigen
Medien in ortsfest rotierenden Wirbeln unter Verwendung von unter der Feststoffschüttung
angeordneten Einzeldüsen, wobei die gasförmigen Medien mit einer die Fallgeschwindigkeit
der gröbsten Teilchen um ein Vielfaches überschreitenden Geschwindigkeit durch in
einer Reihe angeo,rdnete Einzeldüsen oder eine entsplrech,ende Schlitzdüse in der
Weise zugeführt werden, daß sich eine oder mehrere ortsfest rotierende Wirbelfronten
ausbilden, welche den gesamten Querschnitt der Schüttung erfassen. Hierbei können
die angewandten gasförmigen Medien selbst Träger von Feststoffen sein, oder die
Zuführung der gasförmigen Medien bewirkt die Vermischung der größeren Menge von
Feststoffen mit einer kleineren Menge dadurch, daß deren Einführung mit geringen
Mengen eines gasförmigen Mediums als Trägergas unter Ausnutzung der Sogwirkung des
mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Mediums geschieht.
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Der Gegenstand der Erfindung wird weiter an Hand der Abb. 1 erläutert.
In einem Reaktionsraum 1 befindet sich eine Schüttung von feinverteilten Feststoffen,
welche im Ruhezustand den Reaktionsraum bis zur Höhe 3a erfüllt. In einem geeigneten
Abstand unter der Oberfläche der Schüttung befindet sich eine Reihe in einer Linie
angeordneter Einzeldüsen 2 oder
eine Schlitzdüse, deren Länge einen
nennenswerten Anteil der Tiefe des Reaktionsraumes beträgt. Durch die Einzel düsen
wird ein gasförmiges Medium mit hoher Geschwindigkeit, welche die Fallgeschwindigkeit
der gröbsten Teilchen der Schüttung um ein Vielfaches übersteigt und ihre obere
Grenze in der dem Medium und der Temperatur entsprechenden Schallgeschwindigkeit
hat, vorzugsweise senkrecht nach oben eingeführt.
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Hierdurch bilden sich in der Schüttung unter leichter Expansion bis
zur Höhe 3 b zwei an Ort und Stelle bleibende rotierende Wi rbelfronten, deren Rotationsachsen
in Richtung der Gasströmung in bestimmter Entfernung parallel zur Düsenlinie, also
über ihr, liegen. Hierbei wölbt sich die Oberfläche der Schüttung in etwa der Form
einer liegenden Zylinderfläche auf. Diese ruhige stationäre Wirbelbewegung erfaßt
den gesamten Querschnitt der Schüttung und reicht auch in einem entsprechenden Ausmaß
bis unter die Düsenlinie.
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Das Verfahren ist auch in sinngemäßer Umkehrung der Anordnung durchführbar,
welche insbesondere dann Vorteile hat, wenn der Reaktionsraum höher ist und auf
dem Boden unbewegte Schüttung bleiben soll oder kann. Dabei wird die Einzeldüsenreihe
in geringerem Abstand unter der Oberfläche der Schüttung mit Richtung der Gasströmung
gegen den Boden angeordnet. Die zwei an Ort und Stelle rotierenden Wirbelfronten
bilden sich dann in Richtung der Gasströmung mit Rotationsachsen parallel zur Düsenlinie,
also unter ihr. Die Oberfläche der Schüttung bildet sich dann in etwa der Form einer
Ringwulstfläche oder Torusoberfläche aus.
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Bei Verwindung eines Reaktionsraumes von der Form eines stehenden
Zylinders wird die Einführung des gasförmigen Mediums durch in einer Kreislinie
angeordnete Einzeldüsen oder eine Ringschlitzdüse vorgenommen. Hierbei werden entsprechend
dem Der hältuis von Durchmesser zu Höhe des Reaktionsraumes gegebenenfalls die Einzeldüsen
bzw. die Schlitzdüse derart gerichtet, daß die Achsen der ausströmenden Strahlen
von der Senkrechten abweichen und den Erzeugenden eines schlanken Kegels entsprechen.
Damit entsteht dann im zylindrischen Reaktionsraum ein ortsfester Ringwirbel, dessen
Ringachse zur Kreislinie der Einzeldüsen konzentrisch und iiber dieser liegt (s.
auch Ausführungsbeispiel). Hierbei wird die Oberfläche des gesamten Bettes in etwa
der Form einer Kugeloberfläche aufgewölbt. Auch hierbei kann die sinngemäße Umkehrung
mit Richtung der Treibgas strömung gegen den Boden des Reaktionsraumes mit Vorteil
verwendet werden.
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Entsprechend der Größe und der Verteilung der Einzel düsen bzw. der
Schlitzbreite kann die Geschwindigkeit des einströmenden Mediums bis an die seiner
Temperatur und seinen Eigenschaften entsprechende Schallgeschwindigkeit gebracht
werden, ohne daß Kanalbildung bzw. eine Staubfontäne auftritt, sofern der geeignete
Abstand der Einzeldüsen von der Oberfläche gewahrt wird.
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Auch hier erfaßt die ruhige stationäre Wirbelbewegung die gesamte
Schüttung bis zu einem entsprechenden Abstand unter der Kreislinie der Einzeldüsen
bzw. unter der Ringschlitzdüse. Eine dem Ringwirbel im zylindrischen Reaktionsraum
ähnliche Bewegung des Schüttgutes in einem Reaktionsraum von rechteclsigem oder
quadratischem Querschnitt kann aairh erhalten werden, wenn die Länge der Linie der
Einzeldüsen nur etwa die halbe Länge einer Rechteckseite beträgt. Es versteht sich
von selbst, daß in großen
Reaktionsräumen mehrere der beschriebenen Systeme mit ortsfesten
Wirbelfronten angewandt werden können.
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Das vorstehend beschriebene Staubfließsystem wird, trotzdem es auch
Ausführungsformen ohne einen stationären Ringwirbel enthält, im folgenden »Ringwirbelbett«
genannt, um es vom bekannten Wirbelbett zu unterscheiden.
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Nach der Erfindung gelingt es auch, den im Ringwirbelbett umgewälzten
Feststoffen andere staubförmige oder feinkörnige Feststoffe oder nebelförmige oder
tröpfchenförmige flüssige Stoffe zuzuführen und deren intensivste, nahezu schlagartige
Vermischung in kürzester Zeit mit den das Ringwirbelbett bilden den Feststoffen
durchzuführen. Dies kann dadurch erfolgen, daß diese zuzumischenden Stoffe in einer
Beschieunigungsstrecke dem Strom von gasförmigem Medium, welches die Umwälzung des
Bettes erzeugt, zugemischt werden und durch die Einzeldüsen bzw. die Düsenschlitze
in das Ringwirbelbett eingeführt werden. Entsprechend der Tatsache, daß die Wirbelbewegung
durch den Impuls des mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Mediums erzeugt wird,
hat eine Mischung von Feststoffteilchen oder nebel- bzw. tröpfcheniförmiigen flüssigen
Stoffen und gasförmigem Medium bei gleicher Geschwindigkeit einen größeren Impuls
als das gasförmige Medium allein. Es kann demnach die Ausstriömgeschwindigkeit entsprechend
der Impulszunahme der Mischung vermindert werden, ohne die Bildung des Ringwirbelbettes
zu beeinträchtigen.
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Wünscht man dieses Verfahren wegen der Erosion der Einzeldüsen zu
vermeiden, dann ist es vorteilhaft, wenn die dem Ringwirbelbett zuzumischenden Stoffe
mit geringen Traggasmengen, welche gegebenenfalls aus demselben gasförmigen Medium
abgezweigt werden, welches das Ringwirbelbett erzeugt, in die Nähe der Einzeldüsen
oder der Schlitzdüse geführt werden, derart, daß sie der Sog des ausströmenden Mediums
mitreißt und mit den Feststoffen des Ringwirbelbettes vermischt.
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Es hat sich ferner überraschenderweise gezeigt, daß die Abriebsbildung
aus den Feststoffen des Ringwirbelbettes nicht größer, sondern bei der Wahl optimaler
Verhältnisse durch Erprobung kleiner ist als bei dem regellos wallenden Wirbelbett
des Standes der Technik. Dies ist wohl darauf zurückzuführen, daß die Bewegung der
Feststoffteilchen in weniger turbulenten Stromfäden erfolgt, bei welcher die Relativbewegung
und Reibung benachbarter Teilchen geringer ist als bei der vorzugsweise ungeordneten
Bewegung der Teilchen im regellos wallenden Wirbelbett.
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Als weiterer sehr wesentlicher Vorteil des Ringwirbelbettes besteht
die Tatsache, daß der Abtransport von feinsten Staubteilchen sowohl durch das eingeführte
gasförmige Medium wie durch etwa im Ringwirbelbett erzeugte Gase oder Dämpfe erheblich
geringer ist als beim regellos wallenden Wirbelbett, solange nicht durch zu geringen
Abstand von der Oberfläche eine Staubfontäne erzeugt wird. Dies ist darauf zu.rückzuführen,
daß beim regellos wallenden Wirbelbett die regellos aufsteigenden Gasblasen, welche
sowohl Kanalbildung wie Wallen und Sieden des Bettes verursachen, die Hauptmenge
des mitgeschleppten Feinstaubes verursachen, wobei insbesondere das Stoßen des Bettes
die größten Staubmengen liefert.
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Demgegenüber tritt nach der Erfindung, solange keine Staubfontäne
erzeugt wird, ein Stoßen des
Ringwirbelbettes überhaupt nicht auf.
Bei größerer Gasgeschwindigkeit erhöht sich wohl die Staubmenge insgesamt, weil
ja die Menge an gasförmigem Medium damit zunimmt, die Staubmenge in diesem nimmt
jedoch nicht unverhältnismäßig zu, da der Hauptanteil an höherem Impuls in einer
lebhafteren Rotation des ortsfesten Wirbels aufgezehrt wird. Während weiter im regellos
wallenden Wirbelbett eine Klassierung der Feststoffteilchen derart eintritt, daß
sich die gröbsten Teilchen unten, die feinsten in der obersten Schicht anreichern,
wird durch die Ausbildung der ortsfesten Wirbelfront etwa an die Oberfläche dringendes
Feinstkorn durch die Rotation zum größten Teil wieder in den Wirbel zurückgeführt.
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Die Erfindung kann überall dort in der Staubfließtechnik angewandt
werden, wo das regellos wallende Wirbelbett zu große Gasmengen zu seiner Herstellung
benötigt oder zu große Staubmengen in das gasförmige Medium oder die erzeugten Gase
und Dämpfe einschleppt und die Verteilung bzw. Zumischung gegebener Stoffe in kürzester
Zeit erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Sie kann mit Vorteil in allen Kreislaufsystemen
mit feinverteilten festen Stoffen angewandt werden. Sie wird mit besonderem Vorteil
dort angewandt, wo die Anwendung eines Staubfließsystems, welches mit gasförmigem
Medium betrieben wird, zur Vermischung mit anderen feinverteilten Stoffen als jenen
des Fließsystems angewandt wird und das Interesse besteht, die Menge des gasförmigen
Mediums, welches zur Erhaltung, zum Wärme- bzw.
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Reaktionsaustausch des Fließsystems nötig ist, aus verfahrenstechnischen
Gründen möglichst niedrig zu halten, z. B. um seinen Wärme- oder Staubtransport
zu verringern.
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Die Erfindung wird mit Vorteil auch bei Kreislaufprozessen von feinverteilten
Feststoffen, wie z. B.
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Wärmeträger, Katalysatoren, Reaktionsgut oder Trockengut, angewandt.
Hierbei werden feinverteilte Feststoffe durch zwei Kammern hindurchgeführt, derart,
daß sie aus der ersten Kammer mit gasförmigen Medien nach oben geführt werden, worauf
sie durch die zweite Kammer und zurück in die erste fließen.
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Zur Behandlung der feinverteilten Feststoffe in den Reaktionskammern
hat es sich als Vorteil erwiesen, die Reaktionsführung in einer oder beiden Reaktionskammern
mit Hilfe eines Ringwirbelbettes vorzunehmen, d. h. eine oder beide Kammern zum
Reaktionsraum des Ringwirbelbettes zu verwenden. Es gelingt damit, die verfahrenstechnischen
Vorteile der Erfindung in Kreislaufprozessen mit feinverteilten Feststoffen auszunutzen.
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Ausführungsbeispiel Die Abb. 2 zeigt ein Anwendungs- und Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In einem zylindrischen Reaktionsraum 1 von 1 m Durchmesser fließen
über den Regulierschieber 2 feinkörnige Wärmeträger (Koks) mit 10000 C in einer
Menge von 10 t je Stunde in eine im Reaktionsraum befindliche Schüttung. Diese verläßt
den Reaktionsraum durch das Fallrohr 3 als Sperrstrecke in Form einer dichten Schüttung.
Das aus dem Reaktionsraum abziehende Gas wird in einem Abscheidezyklon 4 von den
mitgeführten Feststoffen befreit, welche durch den Rücklauf 5 und den Dachverteiler
6 wieder in die Schüttung zurückgeführt werden.
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In einem Abstand von etwa 1 m unter der Oberfläche der Feinkoksschüttung
im Reaktionsraum befindet sich die Vorrichtung 7 bis 10, welche aus dem in Abb.
3 in Einzelheiten gezeigten Düsenring 9 be-
steht, dessen in einer Kreislinie angeordnete
Einzeldüsen 10 ein Kohlezuführungsrohr 7 mit seiner Wärmeisolation 8 umgeben. Der
Düsenring 9 ist mit einer Überhitzerschlange 11 verbunden, durch welche bei 12 Dampf
von 4000 C eingeführt wird, welcher in der Schlange auf rund 6000 C überhitzt wird
und mit einer Geschwindigkeit von 500 m/sec aus den Einzeldüsen ausströmt. Gleichzeitig
werden durch das Kohiezuführungsrohr 7 mit geringer Geschwindigkeit je Stunde 300kg
Fettkohle mit Backzahl 20 mit 10 Nm3 des Gases eingeführt, welches den Ab,scheidezyklon
4 verläßt. Durch die Dampfausströmung aus dem Düsenring 9 bildet sich ein ortsfester
Ringwirbel aus, welcher die gesamte über der Düsenringebene liegende Schüttung in
etwa der Oberfläche einer Kugel von groBerem Durchmesser als der des Schachtes aufwölbt.
Dabei tritt weder die Bildung von Blasenhohlräumen noch Stoßen auf. Die eingeführte
stark backende Kohle wird ohne Bildung von Agglomerationen verkokt, wobei die angewandte
Dampfmenge nur 3t/2 kg je Stunde beträgt. Die durch die Verkokung zum Wärmeträger
Koks gewordene Kohle wird mit der Hauptmenge mit einer Temperatur von 9500 C durch
das als Sperrstrecke wirkende Fallrohr 3 abgeführt. Während ein regellos wallendes
Wirbelbett bei gleicher Standhöhe je Stunde mit nur 100 kg Kohlezugabe etwa 30 bis
50 kg Feinststaubanfall im Zykloiiabscheider 4 ergibt und größere Treibdampfmengen
verbraucht, werden im Ringwirbelbett mit der dreifachen Kohlenaufgabe je Stunde
nur 3 bis 10 kg Staub im Zyklon 4 ausgeschieden. Durch die geringe Menge an notwendigem
Treibdampf wird der Wärmeentzug der Schüttung gering gehalten; damit ergibt sich
weiter eine Verminderung an Kühlflächen und Kühlmittel, welche zur Entfernung des
Dampfes und Kühlung des Produlçtionsgases erforderlich sind.
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Die durch das Ringwirbelbett ermöglichte schlagartige Verteilung
der backenden Kohle ermöglicht auch die Verwendung eines Treibgases, dessen Temperatur
wesentlich über der Erweichungstemperatur der Kohle liegt. Diese hohe Temperatur
erhöht weiter die mögliche Ausströmgeschwindigkeit, welche ja mit der der Temperatur
entsprechenden Schallgeschwindigkeit ansteigt, so daß damit bei gleichem Impuls
die Treibgasmenge vermindert werden kann.
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PATENTANspaÜcHE: 1. Verfahren zur Durchführung von physikalischen
und chemischen Prozessen zwischen feinverteilten Feststoffen und Gasen in ortsfest
rotierenden Wirbeln unter Verwendung von unter der Feststoffschüttung angeordneten
Einzel düsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase mit einer die Fallgeschwindigkeit
der gröbsten Teilchen um ein Vielfaches überschreitenden Geschwindigkeit durch in
einer Reihe angeordnete Einzel düsen oder eine entsprechende Schlitzdüse in der
Weise zugeführt werden, daß sich eine oder mehrere ortsfest rotierende Wirbelfronten
ausbilden, welche den gesamten Querschnitt der Schüttung erfassen.