DE1119232B - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung von physikalischen und oder chemischen Reaktionen zwischen Gasen und/oder Daempfen einerseits und Feststoffen und/oder Fluessigkeiten andererseits in einer frei schwebenden wirbelnden Suspension - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von physikalischen und oder chemischen Reaktionen zwischen Gasen und/oder Dämpfen einerseits und Feststoffen und/oder Flüssigkeiten andererseits in einer frei schwebenden wirbelnden Suspension Es ist bekannt, rostlose Reaktoren mit nach oben zunehmendem Querschnitt in der Weise diffusorförmig auszubilden, daß der Öffnungswinkel so bemessen wird, daß die Strömung des von unten durch die Eintrittsdüse eingeleiteten Gases mindestens über einen beträchtlichen Teil der Höhe des Apparates nicht von der Wand abreißt. Auch ist bekannt, daß man in solchen Reaktoren frei schwebende Wirbelschichten aus festen und/oder flüssigen und/oder klebrigen bzw. teigigen Partikeln ausbilden und diese Partikeln, die im folgenden der Kürze halber » suspendierter Stoff« genannt sind, darin außerordentlich gleichmäßig und wirksam durchwirbeln und gegebenenfalls sogar agglomerieren und granulieren kann.
• Durch Abstimmung der Trägergasgeschwindigkeit auf die Teilchengröße und die Einspeisegeschwindigkeit kann man entweder stationäre, dauernd im Reaktor verbleibende Wirbelschichten erzeugen oder den suspendierten Stoff wahlweise nach unten durch die Gaseintrittsdüse ausregnen oder vom Gas nach oben austragen lassen. Bei richtiger Wahl des Öffnungswinkels - im allgemeinen hat sich ein Einführungswinkel von 120 im unteren Teil als optimal erwiesen - bildet sich dann im unteren Teil des Reaktionsraumes ein Stopfvorgang aus, der durch eine hohe Teilchenkonzentration gekennzeichnet ist. Aus dieser Stopfzone sinken einzelne Teilchen noch etwas weiter nach unten. Die Mehrzahl der Partikeln erhält aber durch zufällige Schwankungen der Gasgeschwindigkeit Impulse, welche die Teilchen nach oben bewegen. Infolge des nach oben hin zunehmenden Querschnitts des Reaktionsraumes verlangsamt sich der Trägergasstrom anschließend, die Teilchen kehren nach einer gewissen Flugstrecke zurück, und das Spiel wiederholt sich. Schließlich ist es auch bekannt, den Öffnungswinkel des Apparates nach oben hin zunehmen zu lassen, wodurch man den Vorteil erzielt, daß in einer gegebenen Bauhöhe ein maximales Reaktorvolumen bei Einhaltung der Forderung der Diffusorwirkung untergebracht werden kann.
• Es wurde nun festgestellt, daß die Trägergasgeschwindigkeit, die zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Wirbelzustandes notwendig ist, beispielsweise eines solchen, bei dem weder nach unten ausgeregnet noch vom Gas nach oben ausgetragen wird, die Wirbelschicht also dauernd im Reaktor verbleibt, auch für eine konstante Teilchengröße eines bestimmten »suspendierten Stoffes« keine Konstante ist, sondem von der Größe der Wirbelkammer und insbesondere der Trägergaseinlaufdüse abhängt. Je größer die Düse ist, desto größer ist die erforderliche Trägergasgeschwindigkeit.
• Weiter wurde festgestellt, daß man die besten Resultate erzielt, wenn man bei Vergrößerung der Wirbelkammer die in der Zeiteinheit zugeführte Trägergasmenge stärker als proportional mit dem Quadrat des Düsendurchmessers vergrößert, und zwar mit ungefähr der 2,5. Potenz des Düsendurchmessers anwachsen läßt. Diese Feststellung läßt sich auch so ausdrücken, daß die auf den hydraulischen Düsendurchmesser bezogene Froudesche Zahl für ein gegebenes Wirbelgut konstant bleiben muß. Die Froudesche Zahl ist das Verhältnis vom Quadrat der Trägermediumgeschwindigkeit zum Produkt aus Düsendurchmesser und Schwerebeschleunigung.
• Bei größeren Apparaten, beispielsweise schon bei solchen mit Düsendurchmessern von 100 mm, sind demnach recht große Gasgeschwindigkeiten - in der Größenordnung von 25 bis 70 m/sec - erforderlich. Diese erteilen den am Fußpunkt derWirbelschicht befindlichen Teilchen außerordentlich hohe Impulse, so daß solche größere Reaktoren sehr hoch gebaut werden müssen, um die Stöße abzufangen und die Teilchen wieder nach unten zurückwirbeln zu lassen. Diese heftigen Bewegungen sind oft unerwünscht, insbesondere dann, wenn eine agglomerierende Wirkung erwünscht ist, wie dies bei der Granulierung in frei schwebender Wirbelsuspension der Fall ist. Außerdem erfordert die erhöhte Gasgeschwindigkeit große Energiemengen, um die Trägergasmenge durch die Düse hindurchzupressen.
• Es wurde weiter festgestellt, daß man einen Apparat von gegebenen Dimensionen mit wesentlich geringerer Gasgeschwindigkeit in der Eintrittdüse beaufschlagen kann, wenn der untere Teil des diffusorförmigen Wirbelschachtes in geeigneter Weise unterteilt wird. Eine solche geeignete Unterteilung ist z. B. durch zitzenförmige Anordnung mehrerer kleiner Diffusorenstümpfe, die in eine gemeinsame Einlaufdüse münden, unter einer diffusorförmigen Wirbelkammer möglich. Eine andere, ebenfalls sehr zweckmäßige Unterteilung besteht in der Anbringung eines wabenförmigen Leitblechs im unteren Teil des Wirbeldiffusors. Eine Unterteilung des Stromes des Trägergases in mehrere Teilströme unterhalb des Rostes einer klassischen Wirbelschicht zwecks Vergleichmäßigung der Beaufschlagung des Rostes ist zwar bekannt. In diesem bekannten Fall handelt es sich aber nicht um frei schwebende wirbelnde Suspensionen, sondern um klassische Wirbelschichten, die auf einem Rost aufruhen.
• Erfindungsgemäß wird bei der Durchführung von physikalischen und/oder chemischen Reaktionen zwi schen Gasen und/oder Dämpfen einerseits und Feststoffen und/oder Flüssigkeiten andererseits in einer frei schwebenden wirbelnden Suspension, die in einem nach oben zu erweiterten rostlosen Reaktor, dem das Trägergas am unteren Ende durch eine Düse zugeführt und die vom aufwärts strömenden Gas- bzw. Dampfstrom frei schwebend getragen wird, wobei der Öffnungswinkel des Reaktors so bemessen ist, daß die Gasströmung mindestens über einen erheblichen Teil der Höhe des Apparates nicht von der Wand abreißt, durch Unterteilung des Gas stromes im unteren Teil des Reaktors und/oder Abstimmung der Trägergasgeschwindigkeit das Verhältnis vom Quadrat der Trägergasgeschwindigkeit zum Produkt aus Düsendurchmesser und Schwerebeschleunigung in den Grenzen von 500 bis 5000 gehalten.
• Die beiden verschiedenen Unterteilungsmöglichkeiten der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind an Hand der Zeichnungen schematisch und beispielsweise näher erläutert.
• In Fig. 1 stellt 3 den Wirbelreaktor dar, unter dem sieben kleinere Diffusorstümpfe 2 angeordnet sind, die in einen gemeinsamen Diffusor3 münden. Das Trägermedium wird durch die Leitung 4 über die Windkammer S und Teilwindkammern 6 den Diffusorstümpfen 2 zugeleitet.
• Fig. 2 ist ein Schnitt durch Fig. 1 längs der Linie A-A.
• Fig. 3 stellt den senkrechten Schnitt durch einen anderen Wirbelreaktor 1 dar, dem ebenfalls über die Leitung 4 und die Windkammer 5 das Trägergas zugeführt wird. Im unteren Teil des Reaktors sind wabenförmige Leitbleche 7 angeordnet, welche den durch die Eintritts düse 8 aufsteigenden Gasstrom unterteilen.
• Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B der Fig. 3 für eine Ausführungsform dieser Leitbleche.
• Andere Ausführungsformen der Leitbleche sind in Fig. 5 und Fig. 6 beispielsweise dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der schraffiert dargestellte innerste Teil abgedeckt.
• Besonders zweckmäßig ist es, die Unterteilung so vorzunehmen, daß sich Elemente von ungefähr gleichem mittlerem hydraulischem Durchmesser ergeben; wobei- der hydraulische Durchmesser in bekannter Weise als das Verhältnis des vierfachen Querschnitts zum Umfang definiert ist. Vorzugsweise wird die Unterteilung so vorgenommen, daß sich unabhängig von den sonstigen Apparatedimensionen ein hydraulischer Durchmesser von rund 80 mm für das Einzelelement, an dessen unterem Ende gemessen, ergibt.
• Die erfindungsgemäße Unterteilung bewährt sich besonders bei der Anwendung der Venturi-Wirbelreaktoren auf die Granuliertrocknung, d. h. auf die Erzeugung gröberer trockenerAgglomerate aus durch Befeuchten krümelig gemachten feinkörnigen Produkten in frei schwebender Wirbelsuspension. Bei solchen Granuliertrocknern ist es üblich, den Austrag nach unten durch die Düse hindurch durch Ausregnen vorzunehmen. Hier ordnet man die Leitflächen und die Trägergasbeaufschlagung so an, daß die Froudesche Zahl - bezogen auf den unteren hydraulischen Durchmesser des Teilelements - ungefähr den Wert von 1000 annimmt.
• Die erfindungsgemäße Unterteilung des Gasstromes im unteren Teil des Wirbelreaktors ermöglicht es aber auch, bei Wirbelschichten geringerer Teilchenkonzentration, bei denen der Austrag durch das Gas nach oben zu erfolgt, eine höhere Verweilzeit zu erzielen, wobei sich Wirbelsuspensionen mit höheren Teilchenkonzentrationen ausbilden lassen.
• Auch für Wirbelschichten, bei denen der suspendierte Stoff aus einer Flüssigkeit besteht, wo also durch den Trägergasstrom eine Flüssigkeitsmasse zu kleinen deformierten Tröpfchen auseinandergerissen wird, welche in Form einer wirbelnden Suspension im aufwärts steigenden Gas strom schweben, hat sich die erfindungsgemäße Unterteilung bewährt. Insbesondere läßt sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Durchbruch grober Gasblasen wirksam vermeiden, und man kann auch sonst Flüssigkeitsmengen homogen verteilt durchwirbeln.
• Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Unterteilung des diffusorförmigen Wirbelreaktors besteht darin, daß man schon im unteren Teil einen größeren Öffnungswinkel verwenden kann als ohne diese Maßnahme, so daß selbst dann, wenn der Öffnungswinkel über die ganze Höhe konstant bleibt, niedrige Bauhöhen ein gegebenes Fassungsvolumen des Apparates ergeben. Ganz allgemein läßt sich auch die Bauhöhe durch diese Maßnahme stark verringern.
• Die Erfindung wird an Hand des nachstehenden Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.
• In eine Wirbelkammer mit einem Düsendurchmesser von 210 mm, welche sich mit einem Winkel von 120 öffnete und die eine Höhe von 5 m hatte, wurde ein Trägergasstrom von 2500 Nma auf 7000 C erhitzte Luft eingeleitet (74 m/sec). Wurden in diese Wirbelkammer 50 kg feste Partikeln von 1 mm Korngröße und einem spezifischen Gewicht von 2,2 eingefüllt, so bildete sich eine heftig wirbelnde Schicht aus, bei der dauernd einzelne Teilchen besonders hohe Impulse erhielten, so daß sie mit dem Trägergasstrom mitgerissen wurden. Die Folge davon war, daß nach etwa 2 Minuten Wirbeldauer nur mehr 20 kg des anfangs eingefüllten Vorrats im Apparat verblieben. Wurde weniger Trägergas angewendet, so fielen die Partikeln nach unten durch. Nun wurde in den Apparat ein sternförmig ausgebildetes Leitblechelement gemäß Fig. 3 und 4 so eingesetzt, daß, 40 cm über der Einlaufdüse beginnend, die Wirbelkammer auf eine Strecke von 80 cm in sechs segmentartige Teile aufgespalten wurde. Die Gasmenge konnte jetzt auf 1500 Nm3/h reduziert werden.
• Wurden wieder 50 kg der vorhin erwähnten 1-mm-Partikeln eingetragen, so bildeten diese eine Wirbelsuspension, die praktisch verlustfrei dauernd im Apparat durchgewirbelt wurde. Im ersten Fall mußte das Trägergas eine Pressung von 580 mm besitzen, um den Apparat zu durchströmen und das Anfangsgewicht zu tragen. Im zweiten Fall=waren lediglich 380 mm WS hierfür notwendig.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜcHE: 1. Verfahren zur Durchführung von physikalischen und/oder chemischen Reaktionen zwischen Gasen und/oder Dämpfen einerseits und Feststoffen und/oder Flüssigkeiten andererseits in einer frei schwebenden wirbelnden Suspension, die in einem nach oben zu erweiterten rostlosen Reaktor, dem das Trägergas am unteren Ende durch eine Düse zugeführt wird, vom aufwärts strömenden Gas bzw. Dampfstrom frei schwebend getragen wird, dessen Öffnungswinkel so bemessen ist, daß die Gasströmung mindestens über einen erheblichen Teil der Höhe des Apparates nicht von der Wand abreißt, dadurch gekennzeichnet, daß durch Unterteilung des Gas stromes im unteren Teil des Reaktors und/oder Abstimmung der Trägergasgeschwindigkeit das Verhältnis vom Quadrat der Trägergasgeschwindigkeit zum Produkt aus hydraulischem Düsendurchmesser und Sohwerebeschleunigung in den Grenzen von 500 bis 5000 gehalten wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem rostlosen, nach oben zu erweiterten Reaktor, einer Eintragsvorrichtung für den zu behandelnden festen und/oder flüssigen Stoff, einem Abzug für das verbrauchte Trägergas, einer unter dem Reaktor angeordneten Windkammer mit einer Zuführungsleitung für das Trägergas und einer Einlaufdüse für das Trägergas in den Reaktor, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2, 7) für die Unterteilung des aufsteigenden Trägergas stromes in mehrere Teilströme im unteren Teil des Wirbelreaktors.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen der Verteilervorrichtung für die Unterteilung des Gasstromes so bemessen sind, daß sich Verteilerelemente mit ungefähr gleichem mittlerem hydraulischem Durchmesser ergeben.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen der Verteilervorrichtung für den Gasstrom so bemessen sind, daß der mittlere hydraulische Durchmesser jedes Verteilerelementes etwa 80 mm beträgt.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, bestehend aus einem im unteren Teil des Wirbelreaktors (1) eingebauten wabenförmigen Verteilerstern (7).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerstern ein Zentralelement enthält.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralelement des Verteilersterns gasdicht verschlossen ist.
8. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilervorrichtung für den Gasstrom aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter Diffusorenstümpfe (2) besteht.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorstümpfe (2) in eine gemeinsame Einlaufdüse (3) münden.
10. 10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Verteilerelemente (2, 7) und ihre Dimensionen so gewählt werden, daß für eine gewählte Gasgeschwindigkeit die auf den hydraulischen Durchmesser am unteren Teil der Verteilerelemente bezogene Froudesche Zahl - unabhängig von der absoluten Größe der Vorrichtung - konstant bleibt.

    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1028 541, 1033187; britische Patentschrift Nr. 659048.