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Verfahren zur Erzeugung des Schwebezustands in einer Masse körnigen
Materials unter gleichzeitiger Erzeugung systematischer Zirkulationsströmungen in
der schwebenden Masse Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei der Behandlung
körniger Stoffe mit Gasen und zur Mischung körniger Stoffe angewendet werden.
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Es ist bekannt, den Schwebezustand in einer Masse körnigen Materials
dadurch aufrechtzuerhalten, daß man ein Gas aufwärts durch die Masse strömen läßt.
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Es ist hierbei aber in Hinsicht auf die Eigenschaften der zu behandelnden
Masse eine gewisse kritische Gasgeschwindigkeit erforderlich.
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Es ist jedoch in vielen Fällen erwünscht, bei der schwebenden Behandlung
körniger Stoffe mit strömenden Gasen Gasgeschwindigkeiten zu verwenden, die von
der erwähnten kritischen Gasgeschwindigkeit erheblich abweichen und etwa sehr groß
oder sehr klein sind. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn man eine chemische
Reaktion zwischen dem körnigen Material und dem Gas erreichen will.
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In diesem Zusammenhang ist bekannt, das in den Schwebezustand zu
versetzende körnige Material lebhaften Schwingungen auszusetzen mittels im Innern
eines Gefäßes befindlicher schwingender mechanischer Teile.
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Andererseits erzeugt man gelegentlich Zirkulationsströmungen in dem
schwebenden körnigen Material, z. B. in den Fällen, wo man eine Mischung körniger
Substanzen zu erzielen wünscht oder wo ein intensiver Wärmeaustausch zwischen der
schwebenden Masse und der Wand eines Gefäßes in Frage kommt.
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Für diesen Zweck werden üblicherweise rotierende mechanische Teile,
z. B. Turborührer, benutzt; auch hat man bekanntlich vorgeschlagen, besagte Zirkulationsströmungen
zu erzeugen durch Anwendung örtlich verschiedener Geschwindigkeiten der zur Aufrechterhaltung
des Schwebezustands vorgesehenen aufströmenden Gase.
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Aus der deutschen Patentschrift 646 627 ist bekannt, muldenförmigen
Gefäßen, die mit körnigen Massen beschickt sind, bei der Behandlung mit Gasen Schwingungen
zu erteilen, um eine Umwälzung des Beschickungsgutes zu erreichen. Die Schwingungsachse
ist schräg gestellt, und durch mehr oder weniger Schrägstellung der Schwingungsachse
kann die Umwälzung verstärkt oder abgeschwächt werden.
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Gemäß der Erfindung wird in einer Masse körnigen Materials unter
gleichzeitiger Erzeugung von Zirkulationsströmungen in der Masse in der Weise ein
Schwebezustand erreicht, daß man das zu behandelnde Material in ein axialsymmetrisches,
mit der Symmetrieachse in vertikaler Richtung angeordnetes Gefäß bringt, von dem
wenigstens ein Teil der inneren Wandung einen schiefen Winkel mit der Vertikalen
bildet, und anschließend das Gefäß in eine vertikale, geradlinige Schwingung von
solcher Frequenz und solcher Amplitude versetzt, daß die Masse in
einen mit einer
Zirkulationsströmung verbundenen Schwebezustand gelangt.
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Bei der erfindungsgemäßen Behandlungsweise entsteht örtlich in der
Masse des körnigen Materials eine relative Bewegung in bezug auf den schrägen Wandungsteil,
der eine Richtung hat, die mit der lotrechten Projektion der nach dem Innern des
Gefäßes gerichteten Schwingungsamplitude auf den betreffenden Wandungsteil übereinstimmt.
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Wenn man die in dieser Weise definierte Schwingung des Gefäßes aufrechterhält,
wird das körnige Material dauernd in den Schwebezustand versetzt, und es bildet
sich gleichzeitig mindestens eine Zirkulationsströmung in der schwebenden Masse,
welche Strömung in der örtlichen Bewegung des körnigen Materials in bezug auf den
schrägen Wandungsteil ihren Ursprung hat.
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Es müssen deshalb Amplitude und Frequenz der anzuwendenden Schwingung
in der beschriebenen Weise empirisch festgestellt werden, weil bei der Erzielungdes
erwünschten Effektes sehr viele veränderliche Größen in Frage stehen, z. B. Gesamtmenge,
Dichte und Korngröße des körnigen Materials, Gewicht und Volumen des Gefäßes, Beschaffenheit
der Oberfläche der Materialteilchen und der Gefäßwandung.
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In der deutschen Patentschrift 881600 ist eine Anordnung zur Erzeugung
einer umlaufenden Bewegung des Gutes in einem geradlinig oder im wesentlichen geradlinig
schwingenden Schwingbehälter beschrieben.
bei der nach mindestens
einer Seite der Schwingrichtung hin Stoßflächen für das Gut derart schräg zur Schwingrichtung
angeordnet sind, daß durch die Ablenkung des Gutes an den Stoßflächen eine Umwälzbewegung
des Gutes in dem Schwingbehälter entsteht.
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Bei dieser bekannten Anordnung werden anders als bei der erfindungsgemäßen
Anordnung bei spiegelbildlicher Ausbildung der Wände die Ablenkungskräfte aufgehoben,
so daß keine Zirkulation des behandelten Gutes zustande kommt. Dies ist wahrscheinlich
darauf zurückzuführen, daß bei der bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen ist, das
zu behandelnde Gut in den fluidisierten bzw. Schwebezustand zu bringen.
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Zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips können
die Fig. 11 und 12 dienen.
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Fig. 11 zeigt in schematischer Darstellung einen senkrechten Schnitt
eines mit körnigem Material gefüllten Gefäßes 50, in dem die Wandteile 51 und 51
a einen schiefen Winkel mit der Vertikalen bilden, und zwar in solcher Weise, daß
die nach dem Innern des Gefäßes gerichteten Normalen dieser Wandteile einen stumpfen
Winkel mit der Vertikalen bilden. Eine vertikale geradlinige Schwingung des Gefäßes
50 ist z. B. an der Stelle 52 der Wand 51 durch die aufwärts gerichtete Amplitude
53 und die niederwärts gerichtete Amplitude 54 vertreten. Bei geeigneter Wahl von
Amplitude und Frequenz der Schwingung nach der Erfindung wird- nun in der Nähe der
Stelle 52 eine Bewegung des körnigen Materials in bezug auf die Wand 51 wahrnehmbar
sein, die mit der Richtung der lotrechten Projektion 55 der nach dem Innern des
Gefäßes 50 gerichteten Schwingungsamplitude 54 übereinstimmt. Aus dieser Relativbewegung
resultiert eine allseitige Zirkulationsströmung in dem sich jetzt im Schwebezustand
befindlichen körnigen Material in der von den Pfeilen 56 angegebenen Richtung.
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Das in Fig. 12 ebenfalls im senkrechten Schnitt dargestellte Gefäß
60 weist schräge Wände61 und 61 auf, deren nach dem Innern des Gefäßes gerichtete
Normalen einen spitzen Winkel mit der Vertikalen bilden. Bei geeigneter Schwingung
dieses Gefäßes nach der Erfindung wird man eine allseitige Zirkulationsströmung
in der Masse des im Schwebezustand befindlichen körnigen Materials wahrnehmen, deren
Richtung den Pfeilen 66 entspricht; auch hier tritt also in bezug auf die schräge
Wand 61 eine Relativbewegung des körnigen Materials auf in einer Richtung, die mit
der Richtung der lotrechten Projektion 65 der nach dem Innern des Gefäßes 60 gerichteten
Schwingungsamplitude 64 an der Stelle 62 übereinstimmt.
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Die Zirkulationsströmungen weisen in den beiden dargestellten Fällen
zufolge der unterschiedlichen Schrägstellung der Wände 51 bzw. 61 entgegengesetzte
Richtungen auf.
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Die wahrzunehmende Richtung der Relativbewegung des schwebenden Materials
in bezug auf den schrägen Wandteil des schwingenden Gefäßes ermöglicht eine klare
Abgrenzung des erfindungsgemäßen Verfahrens von den bekannten Verfahren, bei denen
körnige Stoffe enthaltende Gefäße zwecks Behandlung dieser Stoffe in schwingende
Bewegung versetzt werden, z. B. schwingende Förderinnen oder Kugelmühlen.
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Sofern bei diesen bekannten Verfahren geradlinige vertikale Schwingungen
in Rede stehen, wird man eine andere Relativbewegung des körnigen Materials in bezug
auf etwaige schräge Wandteile erhalten als bei dem vorliegenden Verfahren, wobei,
wie erwähnt,
die Gefäßwandungen eine Asymmetrie hinsichtlich ihrer Neigungen zur
Schwingungsrichtung aufweisen müssen.
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Es wird z. B. in einem schwingenden Gefäß mit einem schrägen Wandungsteil,
der der betreffenden Wand 61 in Fig. 12 entspricht, nach der bekannten Technik eine
umlaufende Bewegung des körnigen Materials erzeugt, welche der Bewegung bei dem
vorliegenden Verfahren gerade entgegengesetzt ist. Nach der der Erfindung zugrunde
liegenden Erkenntnis ist dann von einem Schwebezustand des körnigen Materials keine
Rede.
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Bei Schwingung eines Gefäßes nach der erwähnten bekannten Technik
mit einem schrägen Wandungsteil, der der Wand 51 in Fig. 11 entspricht, wird überhaupt
keine umlaufende Bewegung des körnigen Materials stattfinden; höchstens wird eine
tanzende Bewegung des Guts auftreten können.
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Vorzugsweise hat die innere Wandung des bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren zu benutzenden Gefäßes eine rotationssymmetrische Form und ist mit der
Rotationsachse in senkrechter Richtung aufgestellt. In der Weise erhält man ein
Gefäß, das eine Mannigfaltigkeit schräger Wandteile aufweist, was bei Schwingung
des Gefäßes zur Erzeugung einer Mannigfaltigkeit von Zirkulationsströmungen Anlaß
gibt, die sich im Innern der schwebenden Masse begegnen, so daß eine intensive systematische
Umwälzung der schwebenden Masse erzielt wird.
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Die Mittel zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Schwingung können
verschiedener Art sein. Man kann z. B. einen elektromagnetischen Vibrator anwenden
oder Mittel magnetostriktiver Art.
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Die Fig. 1 bis 6 der Zeichnungen zeigen beispielsweise einige bevorzugte
Ausführungen von Gefäßen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Fig. 7 bis 101 zeigen einige Vorrichtungen für an sich bekannte
Zwecke, bei denen die Erfindung Anwendung findet.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Gefäß 1 von gerader konischer Form,
das mit der Symmetrieachse in senkrechter Richtung und mit nach unten gerichteter
Spitze aufgestellt ist. Wenn das Gefäß 1, wie oben beschrieben, in geradlinige vertikale
Schwingung gemäß 3 versetzt wird, gerät die darin befindliche Masse körnigen Materials
2 in den Schwebezustand unter gleichzeitiger Bildung einer allseitigen Zirkulationsstromung
gemäß den Pfeilen4, d. h. aufwärts in bezug auf die konische Wand des Gefäßes und
abwärts in dem mittleren Teil der Masse. Es handelt sich hier also um eine Mannigfaltigkeit
von Zirkulationsströmungen der in Fig. 12 dargestellten Art.
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Fig. 2 zeigt ein konisches Gefäß 5 mit flachem Boden und nach oben
gerichteter Spitze. Erfindungsgemäße Schwingung nach 7 bewirkt den Schwebezustand
des körnigen Materials 6 und Zirkulation der schwebenden Masse gemäß den Pfeilen8.
Hier hat man mit einer Mannigfaltigkeit von Zirkulationsströmungen nach Fig. 11
zu tun.
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Fig. 3 bzw. 4 zeigt ein konisches Gefäß 9 bzw. 14, wie in Fig. 1
bzw. 2 dargestellt, das mit einem zusätzlichen konischen Wandteil 10 bzw. 15 ausgestattet
ist, dessen senkrechter Querschnitt dem Querschnitt der Wand des Gefäßes 9 bzw.
14 gleichförmig ist und welcher Wandteil koaxial und in fester Verbindung mit dem
Gefäß aufgestellt ist. Wie aus den Figuren ersichtlich, wird die Zirkulationsströmung
gemäß den Pfeilen 12 bzw. 18 in der körnigen Masse 11 bzw. 16 bei Schwingung des
Gefäßes nach 13 bzw. 17 von den
mitschwingenden Wandteilen 10 bzw.
15 noch verstärkt.
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Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines kugelförmigen Gefäßes. Die Pfeile
deuten die Mannigfaltigkeit von Zirkulationsströmungen an, die nach der Erfindung
mittels vertikaler Schwingung des Gefäßes in einer darin enthaltenen Masse körnigen
Materials entsteht.
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Fig. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein System von zwei
konzentrischen Rohren 22 und und 23. Der Raum zwischen diesen Rohren ist zum Teil
mit einem körnigen Material 24 gefüllt. Wird dieses System erfindungsgemäß in Schwingung
versetzt, so wird das körnige Gut in dem Rohr in Zirkulation gebracht, deren Richtung
wiederum von den Pfeilen bezeichnet ist. Dieses System eignet sich bebesonders zur
Wärmeübertragung von dem inneren Rohr 23 nach dem äußeren Rohr 22.
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Die in Fig. 7 schematisch dargestellte Vorrichtung ist für die schwebende
Behandlung eines körnigen Materials mit einem strömenden Gas bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten
geeignet.
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Ein konisches Gefäß 25 mit damit verbundenem innerem konischem Wandteil26
(vgl. Fig. 3) ist für den besagten Zweck mit einem Zuführungsrohr 27 und und einem
Abführungsrohr 28 für das Gas ausgestattet. Wenn in dem Gefäß 25 erfindungsgemäß
eine schwebende Masse körnigen Materials aufrechterhalten wird, kann man das Gas
durch den oberen Teil der schwebenden Masse führen. Der intensiven Zirkulation des
körnigen Materials zufolge wird ein sehr guter Kontalxt zwischen dem Gas und der
ganzen Masse erzielt.
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Die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung ist ebenfalls für die schwebende
Behandlung eines körnigen Materials mit einem Gas vorgesehen, jedoch eignet sie
sich besonders für die Behandlung bei mittleren Gasgeschwindigkeiten.
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Ein konisches Gefäß 33 mit innerem konischem Wandteil 36 (vgl. Fig.
4) ist für den besagten Zweck mit Mitteln 34 und 35 zur Gaszuführung und einem Gas
ab führungs rohr 37 ausgestattet. Der Gasgeschwindigkeit ist in Hinsicht auf die
Möglichkeit des Mitreißens des körnigen Materials eine obere Grenze gesetzt.
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Fig. 9 zeigt schematisch eine Vorrichtung, in der sehr hohe Geschwindigkeiten
bei der Zuführung des Gases möglich sind, ohne daß die Gefahr vorliegt, daß das
körnige Material mitgerissen wird, während trotzdem eine gute Berührung zwischen
dem Material und dem Gas gewährleistet ist. Das Gefäß 38 ist als ein gewöhnlicher
Staubzyklon ausgebildet. In dem kegelförmigen unteren Teil 39 wird das körnige Material,
indem man das Gefäß erfindungsgemäß schwingen läßt, in den Schwebezustand versetzt
unter Bildung einer Zirkulation, deren Richtung von den Pfeilen bezeichnet ist.
Bläst man jetzt durch die Tangentialzuleitung 41 ein Gas in den oberen Teil des
Gefäßes, in welchem Teil eine Zentralabführung 42 vorgesehen ist, so wird das Gas
in diesem oberen Teil in eine schnelle Zyklonströmung versetzt. Etwa mitgeführte
Teilchen werden weggeschleudert, ehe das Gas die zentrale Abführung 42 erreichen
kann. Weil sich das körnige Gut in einem Kreislauf befindet, wird die Oberfläche
an der das Gas vorübergeht, ständig erneuert.
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Zum kontinuierlichen Mischen körniger Feststoffe kann z. B. eine
Vorrichtung, wie sie die Fig. 1<) schematisch im Querschnitt zeigt, dienen. Die
körnigen Feststoffe werden durch die Leitungen43 bzw. 44 herangeführt und strömen
durch den Trichter 45 in eine Schwebeschicht, die durch erfindungsgemäße senkrechte
Schwingung des Gefäßes 46 aufrechterhalten wird. Infolge der schnellen Zirkulation,
deren Richtung durch die Pfeile bezeichnet ist, findet eine eingehende Mischung
statt. Die gemischten Stoffe werden durch die Leitung 47 abgeführt.
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Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht in diesem
Fall die Behandlung körniger Materialien von sehr verschiedener Teilchengröße und/oder
Wichte, während bei den bekannten Verfahren, in denen zur Aufrechterhaltung des
Schwebezustands ein strömendes Gas verwendet wird, bei dergleichen Materialien leicht
Entmischung auftritt.
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PATENTANsPROcHE: 1. Verfahren zur Erzeugung des Schwebezustands in
einer Masse körnigen Materials unter gleichzeitiger Erzeugung von Zirkulationsströmungen
in der schwebenden Masse, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu behandelnde Material
in ein axialsymmetrisches, mit der Symmetrieachse in vertikaler Richtung angeordnetes
Gefäß bringt, von dem wenigstens ein Teil der inneren Wandung einen schiefen Winkel
mit der Vertikalen bildet, und anschließend das Gefäß in eine vertikale, geradlinige
Schwingung von solcher Frequenz und solcher Amplitude versetzt, daß die Masse in
einen mit einer Zirkulationsströmung verbundenen Schwebezustand gelangt.