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Vorrichtung zum Einfördern von Feststoffen in einem Fließbettreaktor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einfördern von feinteiligen Feststoffen
in einen Fließbettreaktor mit Hilfe eines zweiten Fließbettes.
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Bei der Chlorierung von titanhaltigem Material, wie z. B. Rutilerz,
Ilmenit oder Titanschlacke, die bevorzugt in einem Fließbett ausgeführt wird, in
dem eine getrocknete Mischung von dem titanhaltigen Material und Kohle mit Chlor
bei höheren Temperaturen umgesetzt wird, geschieht die Einspeisung der Rohstoffe
in den Reaktor meist von oben durch eine Schnecke. Diese Art der Rohstoffeinförderung
weist verschiedene Mängel auf. So muß z. B. der Rohstoffbunker wegen des im Reaktor
herrschenden Überdrucks von der Atmosphäre abgeschlossen sein, wodurch die Nachfüllung
von Rohmaterial stark erschwert wird sehr feinkörniges Material wird durch den Gasstrom
aus dem Reaktor ausgetragen, ehe es zur Umsetzung kommt, und schließlich kann an
der Einlaufstelle des kalten Materials Kondensation des Titantetrachloriddampfes
eintreten mit ihren unerwünschten Folgeerscheinungen.
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Bei der Suche nach einer verbesserten Art der Einspeisung der Rohstoffe,
die die erwähnten Nachteile nicht zeigt, bietet sich die bekannte Einförderung von
Feststoffen in ein Reaktionsgefäß mit Hilfe eines zweiten Fließbettes - künftig
Förderfiießbett genannt - an. Es ist für den speziellen Zweck schon vorgeschlagen
worden, die Erz-Kohle-Mischung kontinuierlich über ein Zufuhrrohr in einen abwärts
gerichteten und einen daran anschließenden aufwärts gerichteten, mit dem oberen
Teil des Reaktionsgefäßes in Verbindung stehenden Schenkel einzuführen, sie in den
Schenkeln mittels eines Gases zu fluidisieren, wobei der Spiegel des entstehenden
Wirbelbettes in dem abwärts gerichteten Schenkel höher ist als der Spiegel im anderen
Schenkel.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein befriedigendes Arbeiten des Chlorierungsreaktors
nur gewährleistet ist, wenn bei der Einförderung folgende Forderungen erfüllt sind:
Die Rohstoffe sollen dem Reaktor möglichst in der Hauptumsetzungszone, d. h. direkt
über der Gasverteilung, zugeführt werden, damit die austraggefährdeten leichten
Anteile gezwungen werden, die Reaktionszone zu passieren, und die Zuteilung der
Rohstoffmenge muß nach Bedarf dosierbar sein, was für die Steuerung der Chlorierungsreaktion
wesentlich ist. Die Einförderung über der Gasverteilung hat den weiteren Vorteil,
daß die Gefahr einer Kondensation des Titantetrachloriddampfes an dieser Stelle
gering ist, weil der Wärmeaustausch hier durch fluidisierte Feststoffe an Stelle
von Gas im Falle der Einförderung am Kopf des Reaktors erfolgt
und außerdem in diesem
Gebiet der Titantetrachlorid-Partialdruck gering ist, wodurch der Taupunkt des Titantetrachlorids
erniedrigt wird.
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Mit den bekannten Förderfließbetten sind diese Forderungen nicht
zu erfüllen, und die oben vorgeschlagene Anordnung des Förderfließbettes oberhalb
des Fließbettreaktors ist dazu noch aus räumlichen Gründen nachteilig. Am günstigsten
wäre die Anordnung des Förderfließbettes und des Reaktors nebeneinander und ihre
Verbindung durch ein horizontales Förderrohr. Ist schon die laufende Einförderung
von solch heterogenem Material wie Erz und Kohle mit ihrem sehr verschiedenen spezifischen
Gewicht und ihrer unterschiedlichen Körnung durch ein horizontales Förderrohr von
geringem Querschnitt äußerst störungsanfällig - es kommt leicht zu Materialablagerungen
und damit zur Blockierung des Förderrohres -, so ist das Weiterfördern nach einer
Unterbrechung praktisch unmöglich.
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Es wurde nun eine Vorrichtung zum dosierbaren horizontalen Einfördern
feinteiliger Feststoffe in einen Fließbettreaktor gefunden, die aus einem Rohr mit
am unteren Ende angeordneten Gaszuführungsrohren zur Aufrechterhaltung eines Förderfließbettes
besteht. Sie ist durch ein über den Gaszuführungsrohren in einer Einschnürung im
unteren Teil des Rohres horizontal angeordnetes Förderrohr mit einer Öffnung, die
durch ein Ventil absperrbar ist, und einen auf der dem Fließbettreaktor entgegengesetzten
Seite am Förderrohr angeordneten Stutzen zur Einleitung eines Hilfsgases gekennzeichnet.
Vorzugsweise weist die Öffnung des Förderrohres nach unten.
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Im Gegensatz zur reinen Fließbettförderung ist durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung das An-und Abstellen der Einförderung der Feststoffe in die Hauptreaktionszone
jederzeit ohne weiteres möglich,
was für die richtige Anpassung
der Förderleistung an den Fortgang der Reaktion, für routinemäßige Unterbrechungen
wie auch für den Fall einer Produktionsstörung notwendig ist.
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Die Vorrichtung soll an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden.
Das Förderfließbett wird in einem zylindrischen Rohr 1 mit Hilfe eines Luftstromes
erzeugt, der durch radiale Zuführungsrohre 2 eintritt und durch den Auslaß 3 das
Rohr verläßt.
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Das zylindrische Rohr trägt oben eine konische Erweiterung, die als
Beruhigungskammer der aufgewirbelten Feststoffe dient. Die Zuteilung der ungemischten
Rohstoffe in das Förderfließbett erfolgt mit einer an sich bekannten Vorrichtung.
Der mit einem Sieb 4 ausgerüstete Vorratsbunker 5, der in die konische Erweiterung
hineinreicht, ist unten offen. Die Rohstoffe ruhen auf einer dicht unter der Öffnung
des Bunkers befindlichen Fritte 6 mit einem seitlichen Wehr. Die Fritte wird von
dem Rohr 7 getragen, das gleichzeitig als Einleitungsrohr für die Luft dient. Durch
Begasen der Fritte fließen die Rohstoffe in das Förderfließbett ab. Das Förderfließbett
soll dabei im Höchstfall bis an das Ende des zylindrischen Rohrteiles gefüllt werden.
Notwendig ist es, daß der Druck in der Ebene des Förderrohres auf der Seite des
Förderfließbettes immer wesentlich höher liegt als im- Reaktor. Die Druckdifferenz
soll mindestens 300 mm Wassersäule betragen, bevorzugt arbeitet man jedoch bei über
800 mm Wassersäule, damit auch bei größeren Schwankungen des Gegendruckes in Reaktor
kein Rückströmen von titantetrachlofidhaltigen Gasen eintreten kann.
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Das Rohr 1 ist von einem Mantel 8 umgeben, der unten ein Gefäß 9
für eine Heizflüssigkeit trägt, die zum Sieden erhitzt wird. Die Heizung des Fließbettes
kann selbstverständlich auf jede beliebige Art erfolgen, auch durch Vorerhitzen
der Wirbelluft.
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Das senkrecht stehende Rohr 1 mit dem Fließbett hat in seinem unteren
Teil eine Einschnürung, in der horizontal das Förderrohr 10 angeordnet ist, das
eine nach unten gerichtete Öffnung 11 im Fließbett hat, die durch das Absperrventil
12 geschlossen werden kann. In dem erweiterten Teil des Förderfließbettes unter
dem Förderrohr sammelt sich gegebenenfalls grobes Material an, das bei der herrschenden
Luftgeschwindigkeit nicht aufgewirbelt wird. Durch den Auslaß 13 kann es nach Bedarf
abgelassen werden. Die Verengung des Fließbettes auf etwa die Hälfte seines Querschnittes
bewirkt an dieser Stelle eine Verdoppelung der Gasgeschwindigkeit, die für das störungsfreie
Einströmen des Materials in das Förderrohr erwünscht ist, für das gesamte Fließbett
aber nachteilig wäre, da ein großer Teil der leichten Kohleteilchen bei so hoher
Luftgeschwindigkeit ausgetragen würde. Die nach unten weisende Öffnung des Förderrohres
verhindert, daß größere Agglomerate die Offnung blockieren. Das Förderrohr 10 endet
dicht über der Gaseinleitung in der Wand des Fließbettreaktors (nicht gezeichnet)
und trägt auf seiner entgegengesetten Seite einen Stutzen 14, durch den dauernd
ein Hilfsgas strömt. Falls das Ventil 12 geöffnet ist, dient dieser Gasstrom zur
Unterstützung der Feststofförderung. Im geschlossenen Zustand spült er das Förderrohr
frei und verhindert das Eintreten von Reaktionsgasen aus dem chlorierungsreaktor
in das Förderfließbett.
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Als Hilfsgase kommen sowohl inerte wie auch reagierende Gase in Frage,
bevorzugt Luft, Chlor
oder Kohlenoxyd. Die Einförderung in die Hauptreaktionszone
des Fließbettreaktors hat hierbei den weiteren Vorteil, daß das Chlor oder Kohlenoxyd
an der Reaktion teilnimmt. Die Wahl des Gases richtet sich danach, ob eine Verdünnung
der Reaktionsgase erwünscht ist oder nicht. Durch die Unterstützung der Fließbettförderung
mit einem Hilfsgasstrom ist es auch möglich, Rohstoffe von stark variierender Korngröße
zu verarbeiten, wodurch ein wesentlicher Aufwand an Mahlung und Siebung erspart
wird.
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Neben dem Einfördern übernimmt das Förderfließbett gleichzeitig noch
die intensive Mischung der getrennt zugegebenen Rohstoffe und ihre unbedingt notwendige
Trocknung, die sonst einen gesonderten Arbeitsgang erfordert. Es ist jedoch nicht
erforderlich, daß im Förderfiießbett ein idealer Fließzustand des Materials vorliegt,
sondern es genügt auch schon die einfache Durchwirbelung des Materials vor Erreichen
des Fließzustandes.
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Beispiel Der Rohstoffbunker des Förderfließbettes wurde mit Rutilerz
von 0,03 bis 0,3 mm und Koks von 0,3 bis 3 mm Korngröße im Verhältnis 80: 20 ovo
beschickt. Die Zuteilung der Rohstoffe in das Förderfließbett geschah durch diskontinuierliches
Begasen der Fritte, und zwar in solchen Abständen, daß die Druckdifferenz zwischen
Fördertließbett und Reaktionsffießbett im Bereich von 800 bis 1600 mm Wassersäule
lag. Der Inhalt des Förderfließbettes betrug etwa 200kg und die mittlere Verweilzeit
des Gutes etwa 2 Stunden. Zur Aufrechterhaltung des Förderfließbettes wurde ein
Luftstrom von 8 m3/h benutzt. Das Fließbett wurde von außen mit Diphyldampf (Mischung
aus Diphenyl und Diphenyloxyd mit Kp. 2500 C) beheizt und auf einer Temperatur von
etwas über 1000 C gehalten. Der Wassergehalt des Gutes wurde dadurch von 101o auf
0,10/0 gesenkt.
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Das Förderrohr hatte einen lichten Durchmesser von 16 mm und wurde
dauernd von einem Luftstrom von 4 m3/h durchspült. Die lineare Gasgeschwindigkeit
im Förderrohr betrug etwa 550 cm/sec. Je nach Bedarf des Reaktors wurde das Absperrventil
zeitweilig geöffnet, und die gemischten und getrockneten Rohstoffe wurden nachgefördert.
Die Leistung während der Förderperioden, die von der Druckdifferenz abhängig ist,
betrug bei 800 mm Wassersäule ungefähr 350 kg/h. In einer Stunde wurden etwa 120
kg Feststoff eingefördert.
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Diese für die Chlorierung von Titanerz beschriebene Vorrichtung ist
nicht auf diesen Fall beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo
fluidisierbare Feststoffe einem Fließbettreaktor gemischt, getrocknet und kontinuierlich
oder diskontinuierlich zugeführt werden sollen, ohne daß die Gefahr besteht, daß
dabei Reaktionsprodukte aus dem Reaktor in die Einförderungsanlage gelangen bzw.
in die Atmosphäre entweichen.