DE1542511A1

DE1542511A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines stabilisierten Fliessbettes

Info

Publication number: DE1542511A1
Application number: DE19651542511
Authority: DE
Inventors: Herbert Katz
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1964-02-28
Filing date: 1965-01-07
Publication date: 1970-04-09
Also published as: DE1542511C3; GB1070806A; BE660286A; DE1542511B2; US3304249A

Description

Anm.t United States Atomic rwAxmrvwt A.n. 21.12.1964 Energie Ooamission . . wmmmmm* 8532 Ill/Pr Germantown, Maryland, USA ■-

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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines stabilisierten Fließbettes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen in sogenannten Fließbettreaktoren· Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Prozesse in Fließbetten zwecke Erzielung größerer Wirkungegrade, höherer Reaktionedurohsätze und größerer Wirtschaftlichkeit duroh BeaufsohlagUBg der das Fließbett bildenden Teilchen mit einer elektrischen Ladung·

Ein sogenanntes Fließbett bzw. eine Wirbelschicht entsteht, wenn ein fluides Medium- in der Regel ein Gas - von unten durch ein Haufwerk mit geeigneter Partikelgröße mit einer ausreichenden Geschwindigkeit geblasen wird, die den Teilchen einen Auftrieb ver-.niittert. Die Einzelteilchen unterliegen nicht mehr im vollen Umfang der Schwerkraft und wirbeln bzw. schweben mit starker Turbulenz durcheinander, so daß der Eindruck einer kochenden Flüssigkeit ent-

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steht. Die Gasgeschwindigkeit muß so einreguliert werden, daß die Teilchen einerseits in der Schwebe bleiben und ein Fließbett bilden

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und anderer··!*· nicht aus den Fließbettbehälter geblasen werden.

Wahrend des Betriebes eines solchen bekannten Fließbettea herrscht «riechen den aufgewirbelten Feststoffpartikelchen und dem durchströmenden Gas ein ausgezeichneter Kontakt. Falls ein Temperaturgefäll· vorliegt, ergibt sich ein vorzüglicher Wärmeaustausch zwischen Peststoffteilchen und Gas- und ein Temperaturausgleich wird sehr schnell erreicht. In gleicher Weise wird ein sehr guter Massenaustausch von oder zu den Partikeln und zwischen den. Partikeln und der Gasphase erzielt, verursacht durch die Bewegung der Heaktanten in der flulden Phase gegen die Oberfläche der Festatoffkatalysatoren und in der umgekehrten Bewegung des Produktes von der Katalysator-

oberfläch· zurüok seu dem Körper dor fluiden Phase.

•la Hinblick auf di«a·· vorteilhafte Verhalten beim Wärme- und Hasseaustausoh zu oder von Feststoffen und Fluiden, ist das Fließbett ein wesentliches Hilfsmittel bei Trocknungs-, Rost und anderen Prozessen geworden, bei denen eine chemische Zerlegung durch Wärme erfolgt.

Bine sehr wichtige Anwendung erfolgt bei der Gaskatalyse, wo der ausgezeichnete Wärme- und Massenaustausch zu Leistungen führt, wie sie auf andere Weise nicht erreichbar sind.

Bei vielen anderen chemischen Prozessen ist das Fließbettsystem •benfalla zur'Anwendung gebracht wurden, beispielsweise bei der katalytisch·* Umwandlung von Naphtalin zu Phtal-Anhydrid.

.. 3 m.

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Bekannte Fließbtttreaktoren haben Ihre arteigenen Grenzen bezüglich der durchzusetzenden Menge des Fluide3 und diese Grenzen haben die Anwendung derartiger Fließbetteyeteme bei vielen katalytischen ' Prozessen eingeschränkt·.

Wenn die Gasgeechwindigkeiten zu hoch sind, werden die Feststoffteilchen aus dea Behälter ausgetragen. Der Gasdurchsatζ durch das Bett ist also durch die Bettgröße und die Behältergröfl· begrenzt. Wenn die Gasgeechwindigkeiten zu klein sind, ist dadurch die Kapazität des Bettes begrenzt. Eine Erhöhung des Gasdurchsatzes hat zu größeren und höheren Fließbettbehältern geführt, die jedoch hohe Kosten erfordern.

Ein anderer, Grenzen setzender Faktor ist durch den Abrieb der das Bett bildenden Teilchen gegeben. Ein solcher Abrieb ergibt sich durch die hohe Turbulenz in bekannten Fließbetten. Insbesondere tritt ein solcher Abrieb auf bzw. wird verstärkt, wenn eine sogenannte Blasenbildung mit schlagartigen Gasdurchbrüchen erfolgt. Da die Teilchen sich gegeneinander niederhalten, verlieren aie infolge der Turbulenz und/oder der Gasdurchbrüche an Gewicht, und der sich bildende feinanteil der Feststoffteilchen wird vom Gas aus dem Bett ausgetragen. Bei vielen der bekannten Systeme müssen deshalb kostspielige Rückgewinnung8anlagen für den Feinanteil vorgesehen wer* den. Ferner haben viele Katalysatoren eine derart feine Körnung, daß ihre Verwendung in Fließbettprozessen im Hinblick auf Turbulenz und/oder Gasdurchbrüche nicht möglich ist.

Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die bekannte

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Yerfahrensart eines FÜeßbettbetriebes in einer" Weise und mit einer Einrichtung durchzuführen, so daß'es wesentlich wirteohaftlicher betrieben werden kann, wobei eine Blasenbildung bjrw. ein Durchschlagen der Gaskomponente, verursacht durch eu hohe Gasgeschwindigkeit en, stark reduziert *,ein soll. ' ' ■

es,
In diesem Zusammenhang ist^ein weiteres Ziel der Erfindung, die Steuerung* der Fließbettschicht von der Steuerung durch die Gasgeschwindigkeit allein unabhängig zu machen und das Fließbett so zu betreiben, daß zwischen den feststoffteilchen angenähert gleiche Zwischenräume aufrechterhalten werden. Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, den I&ilchenabrieb, der durch die Teilchenturbulenz erzeugt wird, weitgehend zu reduzieren. Weitere Einzelheiten werden nachfolgend noch näher erläutert.

Es wurde festgestellt, daß in einem Behälter befindliche Fließbetten, bestehend aus fließfähig gemachten Feststoffteilchen, die eine gewisse Oberflächenleitfähigkeit haben, leicht dadurch stabilisiert werden' können, daß man eine hohe Spannung an das die Fließfähigkeit bewirkende Medium anlegt, und zwar in einer solchen Stärke, daß mindestens ein Teil des Mediues ionisiert und ein elektrisches Feld

■ . · im Fließbett erzeugt wird. Dl« Berührung der fließfähig gemachten Teilchen im elektrischen Feld mit den zugefühften Partikeln reeultiert aus der Ionisation des gasförmigen Mediums. Die Spannung ist vorteilhaft in einer Stärke anzulegen, bei der sich mindestens in eines Teil des Bettes eine sogenannte Ooronaentladung ergibt. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß an ein Fließbett mindestens In einen Teilbereich ewei Elektroden angeordnet, die kapazitiv einer

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entsprechenden Spannlingsquelle zugeschaltet sind, deren Spannung ausreichend hoch ist, um mindestens einen Teil dee gasförmigen Medium« zwieohen deri Elektroden ionisieren zu können und üb eine elektrisches Feld la Bett zu erzeugen. Die Spannung muß also mindestens ausreichend hoch für die Erzeugung^einer Ccronaentladung des gasförmigen, die Fließfähigkeit verursachenden Mediums sein. Unter einem stabilisierten Fließbett soll hier ein Bett bei Gasdurchsatz durch eine geeignete Feststoffkörnung zu verstehen sein, bei dem die turbulente Bewegung der Feststoffteilchen und Gasdurchbrtiohe, bedingt durch aufsteigende und wachsende Gasblasen, vollständig unterdrückt sind, und bei dem ein größerer Gasdurchsatz ohne Druckerhöhung und Durchschlagsgefahr erfolgt.

Unter der Bezeichnung "fließfähige Feststoffteilchen mit einer gewissen Oberflächenleitfähigkeit* soll zu verstehen »ein Feststoffteilchen von geeigneter Form und Größe, die zum Betrieb eines Fließbettee herkömmlicher Art geeignet sind, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß feinste Teilchen, die an sich in Fließbetten bekannter Art ausgetragen werden, im Bett gemäß Erfindung gehalten werden können und einon Teil des Bettes bilden. Der Ausdruck "gewisse Oberflächenleitfähigkeit¹·, wie er für die das Bett bildenden Teilchen benutzt wird, soll so verstanden werden, daß Feststoffe mit Oberflächenleitfähigkeit zwischen Feststoffteilchen mit niederer Oberflächenleitfähigkeit, wie bei Polystyrol-Ieilchen und Feststoffteilchen mit hoher OberflächenleitfähjLgkeit, wie b«I Metallteilchen, beiepleleweiae Zinkteilchen, vorliegen. Die Oberfläohenleitfähigieit i#t bekanntlich abhängig vom Grade der Verunreinigung der Teilchen» ihrer geometrischen Form, GröiBe üb«. Die Verwendbarkeit «ine·

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bestimmten Bettmaterials kann durch, einen einfachen Versuch., wie er nachfolgend im Beispiel I angeführf ist, festgestellt werden.

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AIb im Rahmen der Erfindung anwendbar wurden folgende Stoffe gefunden:'Metalloxy'de; beispielsweise-Aluminium-, Uran-,_MagneBiumoxyd

und Sntndj anorganische Salze, beispielsweise Kochsalz, NatriumwQlframat_i -KaIiUmChIOrId'.und. Kaliumpermanganat; organische Stoffe, wie iiGi- Salicylsäure und Zucker.

Als gasförmiges Medium kann für das erfindungsgemäße Verfahren ^edes geeignete Gas oder jede geeignete Gasmischung verwendet werden, das, bzw. die eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit hat, so daß das elektrische PeDd zur Stabilisierung des Bettes aufrechterhalten werden kann. Gase wie Argon, die eine niedrige Ionisationespannung haben, so daß es nicht möglich iat eine hohe Spannung an eolch einen Gasstrom zu legen, um eine Coronaentladung zu erzielen/ können in bekannter Weise mit einem geeigneten Additiv, wie Methangas, versetzt werden, un eine solche Entladung zu erreichen.

Eine,Lichtbogenbildung ist im erfindungsgemäßen fließbett zu vermeiden, um zu gewährleisten, daß die Pließbettfeststoffteilchen intensiver mit unipolaren Teilchen in Kontakt kommen können, die

aus· der Ionisation des gasförmigen Mediums resultieren. Sine Lichteiner
bogenbildung aufgrund/niedrigen Ionisationsapannung des gasförmigen Mediums kann dadurch vermieden werden, daß man den Druck des Systems erhöht, wodurch auch der Durchsatz des Systeines ansteigt. Das gasförmige Medium.kann ein Eeagenz sein, das mit den oder auf lie Bettfeststoffteilchen reagiert, es kann aber auch eine Mischung

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eines fieaktions- und eines die Fließfähigkeit verursachenden Trägergaaee sein.

Die Behälter zur Aufnahme des Fließbettes können von jeder Art, Größe, Form und Konstruktion sein, wie sie auoh bisher bei Fließbettverfahren angewendet werden. Im wesentlichen muß das Gefäß selbstverständlich groß genug für die Aufnahme der -fließfähig gemachten Peststoffe sein, Gasein- und auslasse haben und Möglichkeiten zur Anbringung der Elektroden. *

Für die Spannungserzeugung kann jede bekannte und geeignete Einrichtung benutzt werden. Die Erfindung ist we-der auf die Yerwendung von Wechsel, noch auf die Verwendung von Gleichstrom beschränkt, da sie mit beiden Stromarten durchführbar ist. Gleichstrom wird jedoch bevorzugt, da mit diesem eine größere Stabilität des Bettes erreicht werden kann.

Als Elektrodenmaterial kann jedes geeignete und bisher für Elektroden benutztes Material benutzt werden. Selbstverständlich muß aber bei der Materials-wahl darauf geachtet werden, daß es sioh mti den beteiligten Reaktionsmitteln verträgt und von diesen nicht angegriffen und zerstört wird. Da die Aufgabe der Elektroden darin besteht, ein elektrisches ?eld und den Ooronaeffekt zu erzeugen, um mindestens einen Teil des gasförmigen Mediums zu ionisieren, sollen sie eine dafür geeignete Form haben. Ein Teil der das 3ett bildenden Teilchen müssen zwischen den Elektronen schweben, um ein elektrische! Entladungsfeld, im Bett zu erhalten. An den Elektroden muß eine auereichend hohe Spannung liegen im Hinblick auf die Ionisation und

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den Coronaeffekt. Die Lichtbogenbildung darf jedoch nicht eintreten und muß Ttrsitden wtrdtn.

Anhand der nachfolgenden Ausführungebeiepiel· wird die Erfindung näher erläutertt

Beispiel I

Ale Gefäß wurde ein zylindrischer Jenaer-Glas Behälter mit 36,75 cm Länge und 12,8 cm Breite benutzt. Der Boden des Behälters enthielt eine 7,3 cm dicke Lage von dicht gepackten Perldrähten von 25 - 35 Maschen^ die im Behälter durch ein feines Maschendrahtgewebe abgedeckt gehalten wurden. Der Boden des Behälters war an einen Sticket off gasbehälter angeschlossen, und durch die Bodenpackung wurde ein gleichmäßiger Gasdurchsatz während des _öanzen Versuches gewährleistet,

Eine Messingstange mii o,31 cm Durchmesser mit spitzea Ende wurde in der Mitte r"es Behälters befestigt, wobei die Spitze von der Bodendrahtabdeckung angenähert 17,2 cm Distanz hatte. Das andere Ende der Stange wurde mit einer Stromquelle mit hoher G-leichstromspannung verbunden. Das Bodenabdeckgitter war am Behälterboden verankert.

In den Behälter wurden Perlen mit 5o - 6o Maschen, d.h. Perlen mit etwa o,274 mm Durchmesser, aus Glas In einer Schichtdicke von 8,1 ob auf das Gitter eingebracht. Diese Schicht bildete das Fließbettmaterial. „

Durch den Gaseinlaß im Boden des Gefäßes wurde Stickstoff eingeblasen, um dia Perlschüttung fließfähig zu machen, ohne daß dabei jedoch eine Spannung an den Mesaing3tab gelegt war. Das ganze Bett befand

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sich in fließfähigem Zustand, wenn der Gasdurchsatz angenähert 2,4 ft 3/min betrug.

Der Gasdurchsatz wurde auf angenähert o,o7 a /min erhöht und eine Spannung von 6o ooo Volt wurde an di'e-Messingstange gelegt. Dabei wurde beobachtet, daß die das Bett bildenden Glasperlen in ihren Bewegungen ruhig wurden und sich eine Stabilisation des Bettes einstellte, wobei jedoch das Bett in voll aufgeblähtem Zustand verblieb, Se wurde festgestellt, daß die Spannung auf 24 ooo Volt reduziert werden konnte, ehe die Perlen ihre Beweglichkeit wieder erreichten.

Bei einem anderen Versuch wurde der Gasdurchsatz auf angenähert o,o9 m /fflin^ erhöht und eine Spannung von loo ooo Volt angelegt. Im vollaufgeblähtem Zustand wurde hierbei das Bett ebenfalls stationär. Eine Reduktion der Spannung bis zu 37 ooo Volt war möglich, ehe die Beweglichkeit wieder vorhanden war.

Beispiel II

In diesem Versuch wurde in der gleichen Weise verfahren und dasselbe Gerät benutzt. Die Schichthöhe betrug jedoch nur 3,6 cm. Stickstoff wurde mit angenähert o,^3 m /min durchgesetzt und eine Spannung von 82 ooo Volt wurde angelegt. Im aufgeblähten Zustand wurde hierbei das Bett stationär. Die Spannung konnte witder bis 58 ooo reduziert werden.

Mit der erfindungsgemäflen Verfahrensweise ergeben sich inannigfacht Vorteil·» So werden Katalysatorverluste aufgrund des Abriebes reduziert, die bei der bekannten Verfahrensweise unvermeidlich, sind« ferner werden grÖOere Durchsätze erreicht und ein gleichförmigerer

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Kortakt «wischen den beteiligten Medien, ohne wesentliche Erhöhung der Betriebskosten. Die Kosten für den Strom (die Stromstärke kann sehr klein gehalten werden) sind dementsprechend gering und gegenüber den erzielten Vorteilen bedeutungslos.

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Claims

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1· Verfahren zur Herateilung eines stabilisierten, in einem Behälter befindlichen FlIeBbettes, wobei die das Bett bildenden Feststoffteilchen mit eine» von unten nach oben durchströmenden gasförmigen Medium in einen fließfähigen Zustand versetzt werden, gekennzeichnet durch Verwendung von Peststoffteilchen mit einer gewissen elektrischen Oberflächenleitfähigkeit und durch Anlegen einer hohen Spannung an das Fließbett.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung als Gleichstromspannung angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch Anlegen einer Spannung in einer solchen Höhe, daß das .gasförmige Medium mindestens zum Teil ionisiert und im Fließbett ein elektrisches Feld gebildet wird,
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1-3, bestehend aus einem die Feststoffteilchen enthaltenden Behälter mit Bin- und Auelaßöffnungen für das gasförmige Medium und au» Förder-lementen fcur Durchleistung· des gasförmigen Mediums durch den Behälter und das Fließbett, gekennzeichnet durch eine Fließbettschicht aus Teilchen mit einer gewissen Oberflächenleitfähigkeit, welches Bett zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, die an einer Spannungsquelle liegen.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 5_f dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Spannungsquelle eine Gleichstromquelle 1st.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 und 5» dadurch gekennzeichnet , daß eine der Elektroden oberhalb des Bettes angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 und 5_f dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden unterhalb des BetteB angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die oberhalb dee Bettes liegende Elektrode

am negativen Pol dor Spannungsquelle angeordnet i3t.

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