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Wirbelschichtreaktor Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor.
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Solche Einrichtungen, von denen verschiedene Ausführungen bekannt
sind, dienen zur Durchführung verschiedenartiger Prozesse, z. B. zur Adsorption,
Trocknung und Destillation bituminöser Schiefer oder zur Durchführung chemischer
Prozesse ohne Katalysatoren, z. B. zur Kalzination, Reduktion und Röstung von Erzen
oder zur Karbonierung und Vergasung von Ölen, oder mit Katalysatoren, z. B. zur
Oxydation, Hydrierung oder sonstigen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen.
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So ist eine Vorrichtung zum Durchführen von Reaktionen mit Feststoffen
im Wirbelschichtzustand bekannt, bei der ein perforierter Gasverteilerboden vorgesehen
ist, unter dem sich ein Gasdruckraum befindet. Auf der Oberseite des Verteilerbodens
schließen sich unmittelbar mehrere parallele senkrechte Reaktionsschächte an. Dem
zentralen Schacht werden die Feststoffe von oben her zugeführt. Die einzelnen Schächte
stehen derart miteinander in Verbindung, daß die Feststoffe alle Schächte nacheinander
durchwandern. Es wird dadurch eine sehr lange Reaktionszone erhalten. Den Trennwänden
können auch noch Wärmeaustauschrohre zugeordnet sein, um die Temperaturen in den
einzelnen Reaktionsschächten zu steuern. Da die radialen Abmessungen der einzelnen
Schächte relativ klein sind, ist der Durchsatz an Feststoffen naturgemäß gering,
während die Verweilzeit der Feststoffe groß ist. Die Höhe der in den einzelnen Reaktionsschächten
gebildeten Niveaus nimmt von Schacht zu Schacht ab. Dadurch ändert sich aber auch
der Strömungswiderstand. Es bilden sich daher in den Schächten unterschiedliche
Reaktionsverhältnisse aus, die eine gleichmäßige Behandlung in allen Zonen des Wirbelschichtreaktors
nicht ermöglichen.
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Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von schwefeldioxydhaltigen
Gasen durch Rösten bekannt, bei der dem abgerösteten Gut Wärme in einem Wirbelschichtbett
entzogen wird. Hierbei wurden günstige Wärmeübergangsleistungen für große Systeme
dann erzielt, wenn wärmeaufnehmende Organe auch im Inneren des Wirbelschichtraumes
so angeordnet werden, daß eine Unterteilung dieses Raumes in Teilräume erfolgt,
zwischen denen nur in beschränktem Ausmaß ein Material- und Gasaustausch stattfindet.
Die Zufuhr des Röstgutes und die Abfuhr der Abbrände kann dabei gemeinsam oder für
jeden Teilraum gesondert erfolgen. Das Röstgut liegt auf einem Rost, durch den die
sauerstoffhaltigen Gase zugeführt werden. Die Unterteilung erfolgt durch horizontale
Rohre, die unter Freilassung von
Durchtritten registerartig übereinander angeordnet
sind. Die Anordnung ist so getroffen, daß das Röstgut in dem Wirbelbett auf und
ab gewirbelt wird.
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Zur Beruhigung der Röstgase ist oberhalb des Wirbelbettes eine Beruhigungskammer
angeordnet. Die bei dieser bekannten Anordnung auftretende Turbulenz ist dort störend,
wo es auf einen gleichmäßigen Reaktionsablauf und gleiche Verweilzeit bzw. Reaktionszeit
für alle Substanzanteile wesentlich ankommt.
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Bei einer anderen bekannten Vorrichtung besteht der Wärmeaustauschraum
aus einer Mehrzahl von im Abstand voneinander senkrecht verlaufenden Rohren, deren
Enden von einer oberen und einer unteren Abschlußplatte abdichtend aufgenommen sind.
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Durch den von den beiden Platten abgeschlossenen Raum fließt ein Kühlmittel.
An die untere Abschlußplatte schließt sich ein nach unten konisch zulaufender perforierter
Verteilerboden an. Dieser nach einem vorbestimmten Muster perforierte Verteilerboden
soll eine bessere und gleichmäßigere Verteilung der bereits die Feststoffe enthaltenden
Gase, die durch ein zentrales Rohr zugeführt werden, über die Rohrmündungen der
Reaktionsrohre sicherstellen.
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Die Feststoffe werden unmittelbar mit dem relativ rasch strömenden
Gasstrom wieder ausgetragen. Es handelt sich hier also nicht um ein eigentliches
Wirbelschichtbett, sondern um den pneumatischen
Transport von Feststoffen
durch einen Wärmeaustauscher. Außerdem nehmen die Rohre zusammen nur einen Teil
der gesamten Querschnittsfläche der Vorrichtung im Bereich der Wärmetauschzone ein.
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Das gilt auch für einen anderen bekannten Wirbelschichtreaktor, der
fast genauso wie der oben beschriebene Wärmetauscher aufgebaut ist, bei dem jedoch
ein ebener Gasverteilerboden vorgesehen ist, mit dem zusätzliches Gas zugeführt
werden kann.
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Außerdem weist jedes Rohr ein zentrales Kühlmittelrohr auf, während
der verbleibende ringförmige Strömungskanal durch Radialwände in mehrere Strömungswege
unterteilt ist. Diese radialen Wände dienen hierbei zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche
in der Reaktionszone.
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Die Erfahrungen zeigen nun, daß trotz der verschiedenen bisher getroffenen
Maßnahmen, insbesondere trotz der Unterteilung der Reaktionszone in mehrere lotrechte
Teilzonen Ungleichmäßigkeiten auftreten, die bei vielen Prozessen, insbesondere
bei katalytischen Prozessen, störend sind. Zum Beispiel kann das Gas die Wirbelschicht
in unregelmäßiger Blasenform durchdringen, was zu erheblichen Ungleichmäßigkeiten
führt. Dieser Zustand hängt vorwiegend von der Größe der Teilchen, deren spezifischen
Gewichten, der Wirbelschichthöhe und der Strömungsgeschwindigkeit ab. Um hier Abhilfe
zu schaffen, hat man schon bestimmte Mischungsanteile der verschiedenen Teilchengrößen
vorgeschrieben; das macht aber komplizierte Maßnahmen zum Zurückhalten der feinen
Teilchen notwendig.
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In anderen Fällen lassen sich deswegen keine befriedigenden Ergebnisse
erzielen, weil die Anteile von Feststoffphase und Gasphase nicht in allen Teilzonen
gleichmäßig sind oder bleiben. Es bilden sich daher unterschiedliche Wirbelschichthöhen
und unterschiedliche Strömungswiderstände aus, die zu den bereits mehrfach erwähnten
Nachteilen führen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen und einen
Wirbelschichtreaktor zu schaffen, bei dem eine sehr große Gleichmäßigkeit im Reaktionsverlauf
über das ganze Wirbelschichtbett und damit eine genaue Steuerbarkeit der Reaktion
erreicht wird.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß
durch die Verwendung eines an sich bekannten Reaktionsgefäßes mit Gasverteilerboden
und im Abstand darüber angeordnetem Schächtepaket, das gegebenenfalls mit Wärmeaustauschern
versehen ist, als Wirbelschichtreaktor erfüllt wird.
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Bei diesem bekannten Reaktionsgefäß handelt es sich um eine Vorrichtung
zur Durchführung von wärmegetönten Gasreaktionen in Gegenwart von in einem flüssigen
Medium aufgeschwemmten und feinverteilten Katalysatoren, bei denen das Gas in Blasenform
von unten nach oben durch das flüssige Medium geführt wird. Unter Berücksichtigung
der Katalysatorkorngröße, der Katalysatorkonzentration im flüssigem Medium und der
zugeführten Gasmenge kann bei bestimmten Temperatur- und Druckwerten ein relativ
stabiles Flüssigkeit-Gasblasen-Schwebe system erhalten werden. Um auch bei Reaktionsräumen
mit größerem Querschnitt einen homogenen Schwebezustand zu erhalten, ist bei dieser
bekannten Vorrichtung im Abstand oberhalb des Gasverteilerbodens der Reaktionsraum
durch flüssigkeitsdichte Trennwände in senkrechte, oben und unten offene
Schächte
von gleichbleibendem Querschnitt unterteilt. Die Anordnung ist so getroffen, daß
zwischen Gasverteilerboden und Unterkante der Schächte das flüssig Medium kommuniziert,
während die oberen Enden der Schächte in einen gemeinsamen Gasraum münden. Es kann
sich also das Flüssigkeit-Gas-Schwebesystem an jedem Punkt des Reaktionsraumquerschnittes
der örtlichen Gaseintrittsgeschwindigkeit durch entsprechende Höhen änderung unter
Aufrechterhaltung des hydrostatischen Gleichgewichtes anpassen. Dies wird bei dieser
bekannten Vorrichtung aber nur erreicht, wenn durch flüssigkeitsdichten Abschluß
der Schächte gegeneinander und durch größere Höhe der Schächte, als dem höchsten
Stand der Flüssigkeit-Gas-Mischung im Betriebszustand entspricht, für jeden Schacht
ein individueller Flüssigkeitsspiegel gegenüber dem gemeinsamen Gasraum über der
Flüssigkeit gewährleistet ist. Die Trennwände können hierbei mit Wärmeaustauschern
versehen sein.
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Durch Verwendung dieses bekannten Reaktionsgefäßes als Wirbelschichtreaktor
konnten nun überraschende Vorteile für die Durchführung von Wirbelschichtreaktionen,
insbesondere zur Oxydation organischer Stoffe erzielt werden. Zwischen dem für den
Gaseintritt und die Gasverteilung vorgesehenen üblichen porösen Boden und den unteren
Enden der Schächte liegt eine sich über die ganze radiale Breite des Reaktionsgefäßes
erstreckende Wirbelschichtzone, aus der die fluidisierte Feststoff-Gas-Phase in
die einzelnen Schächte aufsteigen kann. Über diese gemeinsame Zone findet nun ein
ständiger Austausch statt, und zwar in dem Sinne, daß sich Dichteunterschiede der
Phase in den Schächten ausgleichen. Die Wirbelschicht wirkt also dem Entstehen von
Inhomogenitäten selbsttätig entgegen.
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Dadurch bleibt aber auch eine sehr große Gleichmäßigkeit des Reaktionsverlaufes
über alle Bereiche des Wirbelbettes erhalten, da in allen Schächten praktisch die
gleichen Wirbelschichtzustände herrschen.
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Die auf diese Weise entstehende sichere Betriebsführung ergibt den
weiteren wesentlichen Vorteil, daß man nunmehr Laboratoriumserfahrungen ohne Schwierigkeiten
in die Großpraxis übertragen kann.
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Während bei den bisher bekannten Wirbelschichtreaktoren zahlreiche
Untersuchungen notwendig waren, um bei der Verwirklichung eines unter Laboratoriumsverhältnissen
erarbeiteten Prozesses den Einfluß der erheblichen Vergrößerung des Wirbelbettes
zu ermitteln und Maßnahmen zur Kompensation dieser Einflüsse zu finden, sind solche
Untersuchungen bei dem erfindungsgemäßen Reaktor nicht erforderlich. Das Wirbelbett
sorgt selbsttätig dafür, daß die Verhältnisse und Vorgänge in allen Schächten gleich
sind und gleichbleiben. Bei einer auf diese Weise durchgeführten Oxydation organischer
Stoffe wird mit Sicherheit erreicht, daß das Endprodukt frei von Kohlenwasserstoff
ist.
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Eine Vorrichtung für nicht allzu thermisch getönte Prozesse, bei
welchen man die notwendige Wärme durch die äußere Wand zu- oder abführen kann, ist
in Fig. 1 im Querschnitt, in Fig.2 im Grundriß und in einer Variante in Fig. 3 gezeigt.
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Die Vorrichtung, die einen beliebigen Querschnitt unabhängig von
der Größe und Form haben kann, besteht in der Hauptsache aus dem die Wirbelschicht
aufnehmenden Behälter 1 und einem in ihm angeordneten
Rost 2 bekannter
Konstruktion, welcher ähnlich wie ein Glockenboden einer Destillationskolonne ausgeführt
sein kann. In geringer Entfernung über dem Rost, unabhängig von der Größe der Teilchen
und dem Durchlauf, sind Wände 3 angeordnet, welche den Wirbelschichtraum in Teile
4, die den geforderten Querschnitt aufweisen, aufteilen. Ein besonderer Vorteil
ist es, daß die Funktion der Einrichtung nicht von der Form abhängig ist, so daß
man die vorteilhafteste Konstruktion wählen kann. Dies ist in der Fig. 2 für viereckigen
und in der Fig. 3 für kreisförmigen Querschnitt dargestellt. Die Höhe der Wände
3 richtet sich nach der Schichthöhe der Teilchen in aufgewirbeltem Zustand, welche
sie nicht wesentlich übersteigen soll. Das Gas wird durch den Eintritt 5 eingeführt
und den Austritt 6 abgeleitet.
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Bei Gasen höherer als demWirbelpunkt entsprechender Geschwindigkeit
mischen sich die Teilchen rasch durch, weswegen sich das Niveau in allen Kanälen
ausgleicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Teilchen die Eigenschaft einer
Flüssigkeit haben.
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Steigt zufällig das Niveau in einem Kanal, dann erhöht sich der hydrostatische
Druck, und eine entsprechende Menge von Teilchen »fließt« in die benachbarten Räume.
Das Gas durchströmt aber die einzelnen Kanäle gleichmäßig aufgeteilt, weil alle
Kanäle den gleichen Widerstand haben. Die Leistung der Einrichtung kann man beliebig
wählen, sie hängt nur von der Zahl der gebildeten Kanäle ab.
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Ist es notwendig, in der Vorrichtung eine große Wärmemenge auszutauschen,
benutzt man Austauscher mit Röhren, die in die Wirbelschicht hineinreichen. Mit
Vorteil ordnet man Wände zwischen den Kühlrohren an. Dieser Fall ist in der Fig.
4 dargestellt. Hier durchdringt den Rost 2 ein Röhrensystem 7 des Wärmeaustauschers.
Die Röhren sind durch die Wände 3 verbunden, so daß sich die Kanäle 4 bilden. Der
Wärmeträger fließt durch die Eintrittsöffnungen 5 zu und läuft durch den Austritt
6 ab. Das Fluidisierungsgas strömt durch die Öffnung 8 in die Vorrichtung und strömt
durch die Öffnung9 ab.
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Die Funktion der Vorrichtung ist die gleiche wie im vorigen Falle.
Die Anordnung der Kühler kann vielfältig sein, ebenso wie die Form der gebildeten
Kanäle, von welchen einige in den Grundrissen 5, 6 und 7 dargestellt sind.
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Die Vorrichtungen, deren Wesen beschrieben wurde, sind vorteilhafter
als die bisher benutzten, weil die Notwendigkeit des Filterns der abgehenden Gase
entfällt und die Möglichkeit besteht, Teilchen beliebiger Größe zu verwenden. Der
dynamische Stand der fluidisierten Schicht ist in allen Kanälen gleich und entspricht
dem Verhältnis in einem Kanal, was leicht im Laboratorium überprüft werden kann.
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Der erfindungsgemäße Gebrauch der Vorrichtung ermöglicht darum einen
direkten Übergang vom Laboratoriumsmaßstab zum Betriebsmaßstab.
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Die Vorrichtung kann man also auch dann benutzen, wenn die Teilchen
diese dauernd durchschreiten sollen, wie z. B. beim Trocknen, Rösten oder bei der
Rezirkulation von Katalysatoren. Für die Zu- und Abführung der Teilchen benutzt
man Einrichtungen, die z. B. üblich sind beim Kraken von Kohlenwasserstoffen.
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Die Brauchbarkeit der Vorrichtung als Wirbelschichtreaktor soll an
den nachfolgenden Beispielen gezeigt werden.
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Beispiel 1 Für die Oxydation von Anthracen zu Anthrachinon mit Hilfe
von Luft wurde eine Vorrichtung benutzt, welche schematisch in der Fig.4 und im
Querschnitt des Reaktionsraumes gemäß F i g. 7 dargestellt ist. Die Reaktion verlief
am besten bei einer Temperatur von 3800 C, gemessen am Katalysator, dessen Hauptbestandteil
Vanadin-pentoxyd war; die Korngröße betrug 0,25 bis 0,75 mm. Die Ausbeute an Anthrachinon
erreichte 880/0 der Theorie bei einem durchschnittlichen Reinheitsgrad von 98 ovo
des Anthrachinons in den Reaktionsgasen. Durch selektive Kondensation wurde Antrachinon
mit einer Reinheit von 99,5 ovo gewonnen.
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Beispiel 2 Für die Oxydation von Naphthalin zu Phthalsäureanhydrid
mittels Luft wurde eine Vorrichtung benutzt, welche schematisch in Fig. 4 und im
Querschnitt des Reaktionsraumes in F i g. 5 dargestellt ist.
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Bei einer optimalen Reaktionstemperatur von 3750 C und Verwendung
eines Vanadin-Kaliumsulfat-Katalysators mit einer Korngröße von 0,3 bis 0,8 mm wurden
84 ovo der theoretischen Ausbeute an Phthalanhydrid erreicht. Die Leistung auf 1
m3 der Einrichtung betrug 50 kg Phthalanhydrid pro Stunde. Auf 1 t Phthalanhydrid
wurden im Wirbelschichtreaktor 4 t Dampf mit 6 Atm. gewonnen.
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Beispiel 3 In der im Beispiel 2 beschriebenen Vorrichtung wurde nach
Austausch des Katalysators Benzol mit Luft zu Maleinsäureanhydrid bei einer Temperatur
von 5350 C oxydiert. Es wurde eine Ausbeute von 550/0 der Theorie zu Maleinsäureanhydrid
bei einmaligem Durchgang der Mischung durch die Einrichtung erzielt. Es war möglich,
mit einer Konzentration bis zu 50 g Benzol im Kubikmeter Luft zu arbeiten.
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Beispiel 4 Die Isomerisierung von ortho-Xylol zu para-Xylol wurde
in einer Vorrichtung, deren Querschnitt in der Fig. 2 dargestellt ist, durchgeführt.
Bei einer optimalen Reaktionstemperatur von 4500 C wurde in diese pro Stunde, gerechnet
auf 11Katalysatorraum, eine Mischung folgender Zusammensetzung eingeführt: 710/0
meta-Xylol, 190/0 ortho-Xylol, 20/0 para-Xylol und 80/0 Äthylbenzol. Durch die Reaktion
wurde ein Gemisch erhalten, das 20 o para-Xylol enthielt. Der durch kohlenstoffhaltige
Gase verunreinigte Katalysator wurde dauernd aus dem Reaktionsraum in bekannter
Weise (wie beim Kraken von Kohlenwasserstoffen) abgeführt und in einen Regenerator
gleicher Konstruktion wie die des Reaktors übergeführt. Durch einen Luftstrom wurden
die kohlenstoffhaltigen Gase in Katalysator verbrannt, und zwar so, daß seine Temperatur
4800 C nicht überstieg, worauf er wieder in bekannter Weise in den Reaktor zurückgeführt
wurde. Die Geschwindigkeit der Rezirkulation des Katalysators wurde so gewählt,
daß die Wärmeverluste der Isomerisierung gedeckt wurden.