DE2003062A1

DE2003062A1 - Wirbelschichtreaktor

Info

Publication number: DE2003062A1
Application number: DE19702003062
Authority: DE
Inventors: Takaya Iseki; Masao Nagamura; Hiromichi Seya
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-23
Publication date: 1970-07-30
Also published as: PL81314B1; DE2064996A1; FR2029062A1; JPS4945463B1; US3645700A; GB1294228A

Description

20D3062 Patentanwalt Dipl-Phys.Gerhard Lied! 8 München 22 Steinsdorfstr.21-22 Tei.298462

B 4505

ASAHI GLASS CO., LTD., No. 14, Marunouchi 2-chorae, Chiyoda-ku, TOKIO/Japani

Wirbelschichtreaktor

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschiehtreaktor mit verbesserten Teilen. Im besonderen betrifft die Erfindung einen verbesserten Wirbelschichtreaktor, dessen Innenwand gegen Abrieb und Verschleiß beständig ist und der eine große Wärmeaustauschkapäzität zwischen der Innen- und Außenwand aufweist, wobei Ausladungen der verschiedenen Formen in berechneten Abständen an der Innenwand des Wirbelschichtreaktors angebracht sind«

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Er äft

Im allgemeinen wird in einen Wirbelschichtreaktor von unten ein Wirbelmedium eingeleitet, um das Pestbett in eine suspendierte Masse, die als Wirbelschicht bezeichnet wird, zu überführen. In einem derartigen Apparat ist das Innere der Wirbelschicht im wesentlichen ein homogenes Gemisch, das einen guten Kontakt zwischen dem Wirbelmedium und den festen Teilchen garantiert. Obgleich der Wirbelschichtreaktor mechanisch einfach ist und keinerlei komplizierte mechanische Komponenten aufweist, ermöglicht er ein fortwährendes Verarbeiten von Materialien in großen Mengen. Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Reaktionstemperatur und andere Reaktionsbedingungen leicht eingestellt werden können. In vielen Fällen werden Festteilchen mit kleinem Durchmesser eingesetzt, so daß die gesamte Oberfläche des Feststoffes besonders groß ist und die Teilchen zusätzlich im Wirbelbett in völliger Durchmischung gehalten werden. Es stellt sich deshalb in relativ kurzer Zeit zwischen dem Wirbelmedium, nachdem es in die Wirbelschicht eingetreten ist, und den festen Teilchen eine Gleichgewichtstemperatur ein. Diese einheitliche Temperatur besteht im wesentlichen im gesamten Wirbelbett. Durch die heftigen Bewegungen der Teilchen im Wirbelschichtreaktor kann auch der Grenzfilm des Wirbelmediums an der Reaktorwand nicht zu groß sein, so daß der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Wirbelschicht und der Reaktorwand notwendigerweise hoch ist. Ein Wirbelsohichtreaktor ermöglicht es deshalb, die Wirbelschichttemperatur von außen zu steuern.

Aus diesen Gründen werden Wirbelschichtreaktoren im weiten Maße für Reaktionen eingesetzt, bei denen beträchtliche Wärmemengen abgegeben oder aufgenommen werden. Sie werden weiterhin für Reaktionen'zwischen Feststoffen und einem Wirbel-

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medium verwendet, "bei denen die Temperaturkontrolle normalerweise schwierig ist. So werden. Wirbelschi chtreaktören mit Vorteil beim 3cai;alyi;±sclien Cracken von Petroleum, der katalytischen Oxydation von Kohlenwasserstoffen, der Chlorierung oder Oxychlorierung von Kohlenwasserstoffen und der Wirbelschichtröstung von schwefelhaltigen Mineralien eingesetzt. .

Der Wirbelschichtreaktor weist einerseits einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten durch die Wand auf, andererseits hat er den wesentlichen Nachteil, daß die Innenwand durch die festen {Teilchen, die das Wirbelbett bilden, abgerieben wird. Kommt die Eeaktorwand bei erhöhten Temperaturen mit korrodierenden Gasen in Berührung, z.B. bei der Chlorierung von Kohlenwasserstoffen, ist der Wandabrieb durch die suspendierten Teilchen beträchtlich. Um diesen Nachteil zu überwinden wurde vorgeschlagen, die Innenwand des Wirbelreaktors mit Metall oder Nichtmetallen auszukleiden« Das Auskleiden des Reaktors ist jedoch kompliziert, so daß ihre Durchführung mit Nachteilen verbunden ist. An den Stellen, an denen die Verbindung zwischen der Reaktorwanä und der Auskleidung nicht hinreichend eng ist und ein Zwischenraum existiert, wird die Wärmeübertragung durch die Wand vermindert. Obgleich eine Auskleidung mit metallischem Material den Abrieb der Reaktorwand durch die festen Teilchen ohne Verlust der Wärmeübertragungskapazität zwischen der Innenwand und der Außenwand des Reaktors verhindert, so ist es doch notwendig, daß das metallische Auskleidungsmaterial gegen Korrosion genügend beständig ist. Es.muß weiterhin gegen Abrieb beständig sein, um der Reaktorwand die nötige Abriebsbeständigkeit zu verleihen. Metalle, die diesen Erfordernissen entsprechen, sind Nickel,

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Monel, Inconel, Hastelloy u.dgl. Da diese Materialien teuer

■ sind/ werden die Herstellungskosten der Wirbelschichtreaktoren beträchtlich erhöht, nicht zu sprechen von den oben erwähnten Herstellungsnachteilen. Werden andererseits nichtmetallische Auskleidungsmaterialien, z.B. Ziegel, Gußwaren, Zement u.dgl., eingesetzt, so wird die Abriebs- und Korrosionsbeständigkeit der Reaktorwand wirksamer erhöht, der hohe Wärmeübertragungskoeffizient jedoch, der ein we-.sentlicher Vorteil des Wirbelschichtreaktors ist, wird beträchtlich herabgesetzt. Eine nichtmetallische Auskleidung bringt weiterhin schlechte Bindung zur Reaktorwand mit sich, die gewöhnlich aus Metall besteht, so daß die Auskleidung unter dem Einfluß der heftigen Durchwirbelung zum Abheben neigt.

Wird die Auskleidung derartiger Wirbelschichtreaktoren durch Abrieb oder Korrosion beschädigt, erfordert die Wiederherstellung einen erheblichen Arbeitsaufwand. Weiterhin ist es besonders schwierig, einen lokalen Schaden der Auskleidung zu reparieren. Ungünstig ist weiterhin, daß ein örtlicher Schaden sich über die gesamte Auskleidung ausbreiten kann.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Wirbelschichtreaktor, der gegen Abrieb und Verschleiß in höchstem Maße beständig ist und eine große Wärmeaustauschkapazität zwischen der Innenwand und der äußeren Atmosphäre aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Wirbelschiohtreak- tor, der leicht und bei geringen Kosten hergestellt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist auch ein Wirbelschiohtreaktor, 4503 009831/1578

dessen Aufbau Reparaturen vereinfacht und besonders örtliche Reparaturen ermöglicht.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist ein Wirbelschichtreaktor, der eine lange Lebensdauer hat, auch wenn er unter harten Bedingungen gefahren wird, z.B. wenn die Innenwand bei erhöhten Temperaturen mit korrodierenden Gasen in Berührung kommt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Wirbelschichtreaktor von einer neuartigen Konstruktion, wobei der Reaktor und das Schutzteil für die Innenwand unabhängig voneinander hergestellt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch ein Wirbelschichtreaktor von neuartigem Aufbau, bei dem ein örtlicher Schaden der Innenwand im verminderten Maße zum Portschreiten neigt.

Diese Vorteile lassen sich alle mit dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor erzielen.

Der erfindungsgemäße" Wirbelschiehtreaktor ist gekennzeichnet durch metallische oder nichtmetallische Ausladungen von bestimmter Form, die in bestimmter Anordnung zumindest auf dem Teil der Innenwand des Reaktors, wo die Wirbelschicht gebildet wird, angebracht sind.

Pig. 1 zeigt ein Schema des erfindungsgemäßen.Wirbelschichtreaktors. Pig. 1 (a) gibt schematisch den gesamten Aufbau des Reaktors wieder. Pig. 1 (b) ist eine Vorderansicht, wobei im vergrößerten Maßstab die Innenwand des Reaktors

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gezeigt wird. Pig. 1 (c) ist eine Seitenansicht, die im vergrößerten Maßstab die Innenwand zeigt. Fig. 2 (a) ist eine Vorderansicht, die im vergrößerten Maßstab eine andere Ausführung der Innenwand des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors zeigt. Pig. 2 (b) ist eine Seitenansicht, die im vergrößerten Maßstab eine weitere Ausführung wiedergibt. .

Im erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor können die metallischen oder nichtmetallischen Ausladungen, die sich auf der inneren Wand des Reaktors befinden, in dem ein Wirbelbett aus festen Teilchen gebildet wird, aus verschiedenen Materialien bestehen. Geeignet sind z.B. Eisen, Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Nickel, Nickellegierungen, Titan, Titanlegierungen u.dgl. Verwendbar sind auch Nichtmetalle, z.B. Porzellan, keramische Stoffe, Ziegel, Kohle, Graphit, synthetischer Gummi u.dgl. Diese Materialien stellen lediglich eine Auswahl dar,und die Ausladungen können aus jedem anderen metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff hergestellt werden, um im erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor Verwendung zu finden. Die Wahl hängt vom Einsatzzweck des Reaktors ab. Bei den Anwendungen z.B., bei denen besonders hohe Abriebbeständigkeit der Innenwand des Reaktors gefordert ist, bestehen die Ausladungen aus besonders abriebbeständigen Materialien. Wird andererseits beim Einsatz des Reaktors großer Wert auf gute Wärmeübertragung und Korrosionsbeständigkeit gelegt, so müssen die Materialien für die Ausladungen so gewählt werden, daß sie beiden Anforderungen entsprechen.

Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor wird die In-· nenwand duroh die Ausladungen so wirksam geschützt, daß es

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nicht immer notwendig ist, für den Reaktor selbst ein Material zu verwenden, das gegen Abrieb .u.dgl. beständig ist. Der Reaktorbehälter" kann, deshalb aus billigen Materialien hergestellt werden. Die Herstellungskosten können deshalb beträchtlich gesenkt werden. In dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor verursacht das Anbringen der Ausladungen keineswegs eine Verminderung der Wärmeaustauschkapazität der Reaktorwand. Die Ausladungen werden erfindungsgemäß aus einem Material angefertigt, das überlegene Abriebsbeständigkeit aufweist. Der Reaktorbehälter selbst wird aus Material hergestellt, das hohe Wärmeaustauschkapazität und Korrosionsbeständigkeit hat. Auf diese Weise ist es möglich, einen Wirbelschichtreaktor anzufertigen, der in drei Merkmalen seine Überlegenheit beweist: Abriebsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeaustauschkapazität.

Das Anbringen der Ausladungen auf die Innenwand des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Irgendwelche Beschränkungen bestehen nicht. Das Aufbringen kann z.B. durch Schweißen erfolgen. Weiterhin sei noch das Verfahren des Klebens erwähnt. Bestehen der Reaktorbehälter und die Ausladungen aus gleichem Material, so können letztere in einem Stück mit der Innenwand des Behälters durch Guß hergestellt werden.

Der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor hat weiterhin den Vorteil, daß die Ausladungen leicht auf die Innenwand des Reaktors angebracht werden können.

Der erfindungsgemäße Reaktor weist weiterhin die folgenden Vorteile hinsichtlich der Ausbesserung auf. Es wird nicht nur das Ausbessern ermöglicht, sondern auch der Schutz der

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Innenwand gegen Abrieb kann sehr wirksam gestaltet werden. Da jede Ausladung unabhängig von der anderen auf die Innenwand des Reaktors aufgebracht werden kann, genügt es, nur die beschädigte Ausladung wieder herzustellen. Im Gegensatz dazu ist es bei den herkömmlich ausgekleideten Wirbelschichtreaktoren äußerst schwierig, die beschädigten Stellen selektiv zu reparieren. Bei herkömmlich ausgekleideten Wirbelschichtreaktoren neigen örtliche Schäden dazu, durch die gesamte Auskleidung zu wandern, so daß die Betriebsdauer einer derartigen Auskleidung vermindert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor besteht keine Ausbreitungstendenz von örtlichen Schäden, so daß die Betriebszeit der Ausladungen nicht herabgesetzt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor wird die Einsatzzeit deshalb beträchtlich verlängert.

Es ist günstig, wenn bei dem erfindungsgemäßen Reaktor die Ausladungen hohe Abriebbeständigkeit haben. Da jedoch, wie bereits erwähnt, das Ausbessern von beschädigten Teilen verhältnismäßig einfach ist und die Ausbreitungstendenz von Schäden vermindert ist, ist es nicht in allen Fällen notwendig, Ausladungen zu verwenden, die besonders hohe Abriebsbeständigkeit haben.

Es ist deshalb möglich, Ausladungen! zu verwenden, die bei niederen Preisen rasch zur "Verfügung stehen. Dieser Punkt allein bedingt die niederen Herstellungskosten des Reaktors. Werden die Ausladungen auf der Innenwand des Reaktors aus rostfreiem Stahl gefertigt, so kann die Einsatzdauer des Reaktors beträchtlich erhöht werden, selbst dann, wenn der Reaktor für Anwendungen eingesetzt wird, bei denen die Innenwand bei erhöhten Temperaturen mit korro dl e-

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renden Gasen in Berührung kommt. Dies let z.B. "bei der. Chlorierung von Kohlenwasserstoffen der Pail.

Eb ist weiterhin möglich, bei dem erfindungsgemäßen Wirbel-· schichtreaktor Ausladungen aus hochabriebsbeständigem Material in den Bereichen der Innenwand anzubringen, die durch die suspen ierten festen Teilchen im erhöhten Maße abgerieben werden. Ausladungen aus weniger teuerem Material können auf die verbleibenden Teile der Wand.- aufgebracht werden. Dadurch können Ausladungen* erhalten'werden, die in etwa die gleiche Betriebsdauer haben. Dementsprechend kann, die Betriebsdauer des Wirbelschichtreaktors erhöht werden. Ausladungen aus Materialien, die gute Abriebs- und Korrosionsbeständigkeit haben, z.B. Nickel,· Monel, Inconel, Hastelloy u.dgl., können auf die Teile der Innenwand aufgebracht werden, die im allgemeinen besonders hart durch Abrieb beansprucht werden. .

Die Ausladungen des Wirbelschichtreaktors können verschiedene Formen haben. Möglich sind z.B. Rundstäbe, rechteokige Stäbe, Stäbe mit ellipsenförmigem Querschnitt, runde Röhren, rechteckige Röhren, Platten, halbrunde Ausladungen, konische Ausladungen, pyramidenförmige Ausladungen u.dgl. Im Hinblick auf die Form der Ausladungen bestehen keinerlei Beschränkungen. Die Gestalt einer derartigen Ausladung, insbesondere die Gestalt des Endstückes, die Breite, die länge und andere Faktoren werden vorzugsweise in Verbindung mit dem inneren" Durchmesser des Wirbelschichtreaktors festgelegt. Ist die Querschnittsfläche des Endstückea der Ausladung zu klein, d.h., hat die Ausladung ein zugespitztes Ende, so können die suspendierten festen Teilchen, die eins Wirbelschicht bilden, zerkleinert werden. let andererseits

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die Querschnittaflache des Endstückes der Ausladung zu groß, so treten derartige Nachteile wie eine Verminderung des Wärmeaustausches zwischen der Innenwand und dem Äußeren des Reaktors und die Schwierigkeit des Anbringens der A\isladungen auf die Innenwand des Reaktorbehälters auf. Vom Standpunkt der Einfachheit der Herstellung ist es deshalb wünschenswert, wenn bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor die Ausladungen eine einheitliche Querschnittsform haben. Günstig sind z.B. Stäbe, Röhren und Platten.

r Im Falle einer stabförmigen oder röhrenförmigen Ausladung beträgt die Querschnittsfläche ungefähr 1/400 bis 1/25OOOO der Querschnittsfläche des Wirbelraumes des Reaktors, d.h. der Schnittfläche senkrecht zur Richtung des Flusses der suspendierten Teilchen. Bei einer röhrenförmigen Ausladung

2 -wird die Fläche als r χ JT berechnet, wobei r der Außendurohmesser ist. Sind die Ausladungen Platten,.so ist die Wahl der geeigneten Dimension (horizontale Länge) der Ausladung senkrecht zum Fluß der suspendierten Teilchen und entlang der Seitenwand wichtiger als ihre Dimension (Dicke) senkrecht zur Innenwand des Reaktors, auf die' sie aufgebracht sind und wichtiger als ihre Abmessung (vertikale Länge) parallel zum Fluß der suspendierten Teilchen. Im Falle der plattenförmigen Ausladungen beträgt die horizontale Dimension vorzugsweise (0,01 χ innerer Durchmesser des Reaktorbehälters) ' bis (200 χ innerer Durchmesser des Reaktorbehälters) ' , wenn der Kessel als Zylinder gestaltet 1st. Haben die plattenförmigen Ausladungen eine bogenförmige Gestalt, entsprechend der Rundung der Innenwand des Wirbelschichtbehälters, so kann die horizontale Dimension so lang sein als die Umfangskrelsdimension der Innenwand des Behälters. Sind die Platten in Form eines

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Bandes in schraubenförmiger Anordnung auf die Innenwand des Behälters aufgebracht, so können, die Ausladungen eine horizontale Dimension haben, die größer ist als die Kreisumfangslänge der inneren Wand des Behälters.

In dem erfindungsgemäßew Wirbelschichtreaktor stehen die Dimensionen der Ausladungen senkrecht zur Innenwand des Wirbelschichtbehälters (d.h. die Dicke der Ausladung) in Zusammenhang mit der Betriebsdauer und der Wärmeaustauschkapazität des Reaktors. Mit·zunehmender Dicke der Ausladung nimmt die Gebrauchsdauer des Apparates zu. Daraus folgt, daß es günstig ist, wenn die Dicke der Ausladung so groß als praktisch möglich ist. Wird jedoch die Ausladung zu dick, so nimmt die Wärmeaustauschkapazität des Reaktors ab und der wirksame Raum des Reaktors wird ebenfalls vermindert. Weiterhin treten Einbauschwierigkeiten auf. Mr den wirtschaftlichen Betrieb des Wirbelschichtreaktors, ist es günstig, Ausladungen anzubringen, deren Dicke von 5 mm bis 200 mm reicht.

Pur Wirbelschichtreaktoren mit besonders großer Wärmeaustauschkapazität ist es vorzuziehen, Ausladungen einzubauen, deren Dicke von 5 mm bis 100 mm reicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor ist die Art. der Anordnung der Ausladungen auf der Innenwand des Wirbelschichtbehälters ebenso wichtig, wie die Gestalt der Ausladungen (einschließlich Porm des Endstückes, Dicke, horizontale Dimension u.dgl.). Um den Abrieb der Innenwand zu verhindern, ist es bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor wünschenswert, daß die festen Teilchen eine Wirbelschicht bilden, die selektiv die Ausladungen berührt, ohne

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in direkten Kontakt mit der Reaktorwand zu kommen. Ee 1st deshalb günstig, im Hinblick auf die Fließrichtung der suspendierten Teilchen eine versetzte Anordnung der Ausladungen einzurichten. Die Anordnung kann dreieckig versetzt oder rechteckig versetzt sein. Es muß nicht besonders darauf hingewiesen werden, daß zur Erreichung der Ziele der Erfindung noch andere Anordnungen möglich sind.

Die Abstände der Ausladungen, die eine Anordnung bilden, sind ebenfalls bei dem erfindungsgemäßen Wirbel schicht reaktor ein wichtiger Paktor. Er wird vorzugsweise im Hinblick auf die Querschnittsfläche und die Art der Anordnung der Ausladungen festgelegt. Ist der Abstand klein, so ist die Art der Anordnung ohne bedeutsamen Einfluß. Sind die Abstände jedoch größer, so ist die Art der Anordnung durchaus von Wichtigkeit. Ist die Gestalt der Ausladungen, insbesondere die Querschnittsform und die Dicke der Ausladung, klein, so ist es günstig, kleine Abstände festzulegen. Werden jedoch größere Ausladungen verwendet, so ist es nicht zwingend notwendig, die Abstände im gleichen Maße zu erhöhen. Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor ist es für die Auswahl der geeigneten Anordnung und der Abstände wichtig, daß die festen Teilchen eine Wirbelschicht bilden, die im wesentlichen mit der Innenwand des Reaktors nicht in Berührung kommt.

Um zu verhindern, daß die festen Teilchen, die eine Wirbelschicht bilden, nicht in direkte Berührung mit der Innenwand kommen, ist es günstig, die folgenden Grundprinzipien der Anordnung'der Ausladungen einzuhalten. Die Anordnung der Ausladungen beruht auf der Dimension 1 der Ausladung, die die größte horizontale Dimension parallel zur Innenwand des

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Reaktors hat und der Dimension T der Ausladung, die senkrecht von der Wandoberfläche zum vorderen Ende der Projektion gemessen wird. Wenn diese Auswahl getroffen ist, so lassen sich die folgenden fünf imaginären linien auf die Innenwand des Reaktors zeichnen. So können zwei parallele Linien.A und B, die symmetrisch um die vertikale Mittellinie der ausgezeichneten Ausladung (sie fällt mit der Flußrichtung der suspendierten Teilchen zusammen) angeordnet .sind, mit einem Abstand gezeichnet werden, der im Bereich von ( 2 χ L) bis ("1 χ L) liegt.

Dann kann eine Umgrenzungslinie C gezeichnet werden, die die'projezierte Figur P der Ausladung auf der Innenwand in einem bestimmten Abstand von (0 χ T) bis (6,5 χ T), vorzugsweise (4 x T), umfaßt.

Auf der Innenwand des Reaktors kann eine Linie D horizontal so gezeichnet werden, daß sie den oberen Rand der projezierten Figur P der Ausladung berührt und horizontal zur Fließrichtung der suspendierten Teilchen liegt. Weiterhin kann eine Linie E eingezeichnet werden, die durch die beiden Enden der projezierten Figur P geht, die die größte Dimension, in horizontaler Richtung gemessen, haben. Hat die projezierte Figur P zwei oder mehr Sätze von zwei Enden, die die größte Dimension, gemessen in der horizontalen Richtung, haben, so wird die Linie E für den obersten Satz gezeichnet, im Hinblick auf die Fließrichtung der suspendierten Teilchen. Die Schutzzone, die durch die Ausladung bestimmt ist, kann wie folgt erklärt werden. Die Schutzzone der ausgezeichneten Ausladung befindet sich zwischen den parallelen Linien A und B,innerhalb der Umschließungslinie C,unterhalb der Linie D im Hinblick auf die Fließ-

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richtung der suspendierten Teilchen und unterhalb der Idnie E im Hinblick auf die Fließrichtung dieser Teilchen«. Derartige Ausladungen werden auf die Innenwand des Reaktors aufgebracht, wo eine Wirbelschicht gebildet wird, so daß die Schutzzonen der Ausladungen im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Innenwand bedecken.

Um in einem erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor die Ausbreitung von örtlichen Schaden zu verhindern, ist es günstig, eine Vielzahl von Ausladungen isoliert voneinander anzubringen. Andererseits ist es jedoch auch möglich, derartige Ausladungen in aneinanderstoßender Anordnung auf die Innenwand des erfindungsgemäßen Reaktors aufzubringen. So kann z.B. eine bänderartige Ausladung· in spiralförmiger Anordnung auf die Innenwand aufgebracht werden. Weiterhin ist es möglich, eine maschenartige Ausladung anzubringen. Es ist weiterhin nicht immer notwendig, über die gesamte Innenwand des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors Ausladungen aufzubringen. Die Ausladungen sollen jedoch die Innenwand teilweise bedecken.

Pig. 1 gibt einen erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktor wieder, bei dem stabförmige Ausladungen 2 versetzt auf der Innenwand 1 des Reaktors angeordnet sind. Im Reaktor selbst wird eine Wirbelschicht aus festen Teilchen gebildet. Der Behälter des erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors hat einen inneren Durchmesser R. Der Reaktor ist mit Ausladungen 2 in Form von Rund stäben mit einem ätnßeren Durchmesser r und einer Länge I₁ versehen. Fig. 1 (a) gibt ein Schema des gesamten Wirbelschichtreaktora wieder. Fig. 1 (b) ist eine vergrößerte Ansicht der Innenwand des Wirbelschichtreaktors und gibt die Anordnung der Ausladungen wieder.

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In Pig. 1 (c) sind dieAusladungen in dreieckiger versetzter Anordnung dargestellt. Pig. 1 (c)· ist eine teilweise vergrößerte Ansicht und gibt die Seitenwand 1 wieder, die mit Ausladungen 2 versehen ist. Es ist eine Seitenansicht. In Pig. 1 (c) ist eine Bindeschicht 3 zwischen der Ausladung 2 und der Innenseite 1 des Reaktors angebracht. Ist die Ausladung ein Rundstab, so ist der Außendurchmesser r seine Dimension (horizontale Dimension), die zur Fließrichtung der festen Teilchen im Wirbelbett senkrecht vorliegt und parallel zur Innenwand des Reaktorbehälters. Diese Dimension liegt vorzugsweise im Bereich R/500 bis R/20. Die Länge I₁ der rundstabartigen Ausladung ist die Dimension (Dicke), die senkrecht zur Innenwand ausgerichtet ist. Diese Dimension liegt im Bereich von R/10OO bis R/20, um den Wirbeleffekt nicht zu gefährden. Der Abstand P der Ausladungen befindet'sich vorzugsweise im Bereich (1 χ r) bis (2-χ r), wenn die Anordnung dreieckig versetzt ist oder im Bereich (1 χ r) bis (1,415 x r), wenn die Anordnung rechteckig versetzt ist.

Unter Bezugnahme auf den in Pig. 1 dargestellten Wirbelschichtreaktor werden nun die Schutzzonen oder die Zonen der Innenwand, die durch die Ausladungen geschützt sind, wie sie weiter'oben schon definiert worden sind, im einzelnen beschrieben. Die größte Dimension L der auf der Innenwand des Reaktorbehälters befindlichen Ausladung, die zur. Wandoberflache parallel ist und sich vom einen Ende zum anderen der Ausladung erstreckt, entspricht in diesem besonderen Ausführungsbeispiel dem äußeren Durchmesser r der Ausladung. Die Dimension T, die als Abstand von der Oberfläche der Innenwand bis zum vorderen Ende der Ausladung bestimmt ist, wobei sie senkrecht zur Wand gemessen

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wird, entspricht in diesem besonderen Ausführungsbeispiel der Xänge I₁ der Ausladung. In Pig. 1 (b) ist X die senkrechte Mittellinie der Ausladung 2. Zwei linien A und B sind parallel und symmetrisch zur Mittellinie X. Der Abstand χ der beiden Linien. A und B liegt im Bereich (2 χ r) bis (1 χ r). Um die Ausladung 2 ist eine Umgrenzungslinie C in einem bestimmten Abstandygezeichnet, y ist kleiner als (länge I.. der rundstabförmigen Ausladung 2) χ 6,5 und vorzugsweise kleiner als (A χ I₁). Es ist auch einV linie D gezeichnet, die das oberste Ende der Ausladung" IP Um Hinblick auf die Fließrichtung der suspendierten Teilchen tangential berührt. Weiterhin ist eine linie E eingezeichnet, die durch die beiden Enden der Ausladung 2 geht. Sie stellt die größte horizontale Dimension dar. Die Zone S, die durch die fünf linien A,B,C,D und E begrenzt ist und in Fig.1 (b) schattiert eingezeichnet ist, ist die Schutzzone der entsprechenden Ausladung. In entsprechender Weise können die Schutzzonen der anderen Ausladungen festgelegt werden. Diese Schutzzonen können für alle Ausladungen, die sich an der gesamten Wand befinden, gezeichnet werden. Die Anordnung der Ausladungen wird so gewählt, daß die Schutzbereiche praktisch die gesamte Oberfläche der Innenwand bedecken, mit Ausnahme der Fläche, die durch die Ausladungen selbst eingenommen wird.

Fig. 2 gibt ein Beispiel des Reaktors wieder, bei dem die Ausladungen rechteckige Platten 2* sind. Jede hat die länge M, die Breite 1„ und die Dicke t. Die Ausladungen sind durch eine Bindeschicht 5¹ auf die Innenwand T' gebunden. In Fig. 2 ist nur ein Teil der gesamten Anordnung des Wirbelschichtreaktors wiedergegeben. Fig. 2 (a) zeigt ein Muster der Anordnung der Ausladungen auf der Innenwand des

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Reaktors. Fig. 2 (b) site lit eine Seitenansicht 'der in Pig, 2 (a) wiedergegebenen Anordnung dar. Die Dimension M der rechteckigen Ausladung 2', die senkrecht zur Fließrichtung der suspendierten Teilchen und parallel zur Wandoberfläche ist, wird hauptsächlich auf der Basis des inneren Durchmessers R¹ des" Reaktorbehälters des Wirbelschichtreaktors ausgewählt. Die rechteckige Ausladung hat vorzugsweise eine Dimension M im Bereich von Via,O1"x H* bis\/200 χ R', Die Breite Ip der Ausladung 2^f entspricht der Dimension der Ausladung, die senkrecht zur Innenwand des Reaktors ist, Sie liegt vorzugsweise im Bereich von RViQ(X) bis R'/²⁰* Die vertikale Dimension t (Dicke) der Ausladung 2', die mit der Fließrichtung der suspendierten Teilchen zusammenfällt» ist beliebig wählbar und kann Je Ά&&$ Φ^η Erfordernissen gewählt werden. Die Abstände a und U der A^uslad*uagen können auf Basis Öer Werte von M und I₂ bestimmt werfen,. Im allge« meinen liegt der bevorzugte Wert fiü*· a im Bereich von 0> M und der von b im Bereich von; f§ x Ip) big (ßt5 x lp,)>», vorzugsweise ist er kleiner, als, |4 x I«)'* "

Anhand· der Fig-, 2· lassen sich. die. o.beii d;efinie,r^e|i zonen folgendermaßen beschreiben,. .

In Fig. 2 (a) ist X eine vertikale, flfitte.llinie dung 2¹ , A und B sind parallele, Mnie:?!^ die- Sp^e₈IiPiach um die Mittellinie ]£ angeordnet sind, §er Ajb&tand x #er beideii parallelen linien A wad; B liegffe im Bereich γοη (2 χ $) bis (t x H}.. Vm die Ausladung & i.&% eine IJmfassunge.linie 0 jge-» zeichnet,, die einen bestimmten Abstand? y hat, Der Abstand y liegt im Bereich von(0 χ Ig) bia (6,,,5 χ I₂), Er beträgt vor zug speise weniger als (4 x; Ig)» Die linie D, die daa ober·? ste Ende der Ausladung 2^f im, Hinblick auf die Fließriehiiung

mtnvnn bad original

der suspendierten Teilchen tangential berührt und die Linie E, die durch die beiden Enden der Ausladung 2¹ geht, die den größten horizontalen Abstand liefert, sind in die~ ser besonderen Ausführung einander gleich. Die Zone S, die durch die fünf Linien A,B,C,D und E bestimmt ist, ist die Schutzzone der Ausladung 2' . Sie ist in- 2 (a) schattiert.

Beispiel 1

Es wird ein in Pig. 1 wiedergegebener Wirbelsohichtreaktor zur thermischen. Chlorierung von Methan zu verschiedenen chlorierten Methanderivaten verwendet.

Der Behälter dieses Reaktors war ein Zylinder aus einer Nickellegierung, der einen inneren Durchmesser von 1100 mm hatte. Auf der Innenwand, die aus der Nickellegierung bestand, waren Rund stäbe aus rostfreiem Stahl mit einem äußeren Durchmesser von 10 mm und der Länge von. 20 wm ange*» bracht. Diese Ausladungen waren in dreieckiger, versetzter Anordnung auf die Innenwand geschweißt. Der Abstand betrug 15 mm. Zur Bildung einer Wirbelschicht wurde Sand verwendet. Der Reaktor wurde mit Sand so beladen, dnß die Höht 200 mm betrug, wenn der Reaktor nicht betrieben wurde* Zum Wirbeln der*Sandteilchen wurden in den Boden des Reaktors Chlorgas (Dosierung: 100 cbm/h), Methangas (Dosierung: 50 cbm/h) und Stickstoff (Dosierung: 150 cbm/h) eingeleitet. Die Wirbelschicht hatte nun eine Höhe von 2600 mm. T a die Wirbelschicht umgebende Wand hatte die oben beschriebenen Ausladungen. Die thermische Chlorierung wurde bei einer Temperatur von 350 C und unter Atmosphärendruck durchgeführt. Die Reaktionstemperatur wurde mit einem außen auf die Reaktorwand aufgebrachten Mantel gesteuert.

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Bei diesem Versuch betrug_s. der Abrieb der Innenwand des Reaktors 0,05 mm pro Jahr. Der Abrieb der Ausladungen war 0,7 mm pro Jahr. Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Wirbelschicht und dem Äußeren des Reaktors war 340 Kcal/m²/h /⁰C.

Waren auf der Innenwand keine"Ausladungen vorhanden, so betrug der Abrieb der Innenwand 1,5 mm pro Jahr. Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Wirbelschicht und dem Äußeren des Reaktors war 300 Kcal/m /h /C. Danach hat der erfindungsgemäße Wirbelschichtreaktor eine auffallend niedere Abriebsrate und eine zufriedenstellende Wärmeübertragungskapazität.

Bei diesem Beispiel und bei den nachfolgenden Beispielen wurde der Wärmeübertragungskoeffizient auf der Grundlage der gemessenen Werte der für die erforderliehe Abführung der Wärmemengen, der wärmeleitenden Fläche und der Temperaturdifferenz zwischen der Wirbelschicht und dem Kühlmedium im Mantel berechnet. Zur Bestimmung des Abriebs der Innenwand des Reaktors wurden die Abriebswerte zweimal im e» Jahr zwei Jahre lang an vier Punkten bestimmt. Die Messungen^ wurden an Punkten vorgenommen, die sich vom Gasverteiler aus "gemessen.500 mm, 1000 mm, 1500 mm und 2000 mm entfernt befanden. Insgesamt wurden 16 Stellen vermessen. Der Mittelwert dieser 16 Werte wurde dann bestimmt.

Beispiel 2

In■-'einem Wirbelschicht reaktor, der dem Reaktor-von Beispiel 1 ähnlich war, wurden auf die Innenwand des Behälters in rechteckig versetzter Anordnung Rundstäbe aus

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rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 2,9 mm und einer länge von 20 mm aufgeschweißt.

Unter Verwendung dieses Wirbelschichtreaktors wurde Methan unter den Bedingungen von Beispiel 1 thermisch chloriert. Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Wirbelschicht und dem Äußerem des Reaktors war 330 Kcal/m /h / C. Der Abrieb der Innenwand des Reaktors betrug 0,03 mm pro Jahr. Der Abrieb der Ausladungen war 0,6 mm pro Jahr.

Beispiel 3

In den Wirbelschichtreaktor von Beispiel 1 wurden Chlor (50 obm pro Stunde), Methan (25 cbm pro Stunde) und Stickstoff (75 cbm pro Stunde) eingeleitet. Ansonsten wurden die Bedingungen von Beispiel 1 eingehalten. Der Abrieb der Innenwand des Reaktors betrug 0,04 mm pro Jahr. Der Abrieb der Ausladungen war 0,5 mm pro Jahr. Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der Wirbelschicht und dem Äußeren des Reaktors betrug 280 Kcal/m²/V°C. Die verminderte Fließgeschwindigkeit der Wirbelschicht verminderte den Abrieb der Ausladungen und führte zu einem verminderten lokalen Abrieb.

Beispiel 4

Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit der Abänderung, daß die auf die Innenwand des Reaktors geschweißten Ausladungen in dreieckiger, versetzter Anordnung vorlagen. Der Abrieb der Innenwand betrug 0,05 mm pro Jahr und der der Ausladungen 0,8 mm pro Jahr.

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Beispiel 5

In den Wirbelschientreaktor von Beispiel 1 wurden.flache Platten aus rostfreiem Stahl mit den Abmessungen 100 mm Länge, 20 mm Breite und 4 mm Dicke auf die Innenwand des Behälters im Anordnungsmuster von Pig. 2. geschweißt. Der horizontale Abstand (entspricht a in Fig. 2) und der vertikale Abstand (entspricht b in Pig. 2) .der Ausladungen . waren 70 mm bzw. 30 mm. Ansonsten wurden die gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 eingehalten. Der Abrieb der Innenwand des Reaktors betrug 0,05mm pro Jahr. Der Abrieb der Ausladungen war 0,6mm pro Jahr. Der Wärme übertragungskoeffizient war 280 Kcal/m²/h/°0. .

Beispiel 6

In den Wirbelschichtreaktor von Beispiel 5 wurden flache Platten aus rostfreiem Stahl mit den Abmessungen 400 min länge, 20 mm Breite und 4 mm Dicke auf die Innenwand des Reaktorbehälters in versetzter Anordnung mit einem horizontalen Abstand von 70 mm und einem vertikalen Abstand von 30 mm geschweißt. Die Reaktion wurde dann unter den Bedingungen von Beispiel 1 durchgeführt. Der Abrieb der Innenwand dieses Re.aktors war 0,04 mm pro Jahr und der der Aueladungen 0,5 mm pro Jahr.

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Ee wurden Platten aus rostfreiem Stahl ähnlich denjenigen von Beispiel 6 auf die Innenwand in versetzter Anordnung mit einem horizontalen Abstand von 350 mm und einem verti«

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kalen Abstand von 150 mm aufgeschweißt. Die Reaktion wurde unter obigen Bedingungen durchgeführt. Der Abrieb der Innenwand des Reaktors betrug 0,3 dm pro Jahr und der der Ausladungen 1,0 mm pro Jahr.

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Claims

Patent anSprüche

M.) Wirb els chi cht reaktor, gekennzeichnet durch metallische oder nichtmetallische Ausladungen von bestimmter Form, die in bestinmter Anordnung zumindest auf dem Teil der Innenwand des Reaktors, wo eine Wirbelschicht gebildet wird, angebracht sind.
2. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausladung oder die Ausladungen so angeordnet sind, daß die feste» Teilchen, die eine Wirbelschicht bilden, selektiv diese Ausladungen berühren, ohne daß sie auf die Innenwand des Behälters prallen.
3. Wirbel schicht reaktor nach-Anspruch 1, dadurch gekenn*- · zeichnet, daß die Ausladungen Stäbe, Röhren oder Platten sind.
4. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet t daß die Ausladungen unabhängig voneinander auf der Innenwand angebracht sind.
5. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des vorderen Endes jeder Ausladung im Bereich von 1/4-00 bis 1/250000 der horizontalen Querschnittsfläche des Raumes, in dem die Wirbelschicht gebildet wird, liegt. ·
6* Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser einer stabartigen oder röhrenförmigen Ausladung 1/20 bis 1/500 des inneren Durchmessers des Reaktors, in dem eine Wirbelschicht gebildet wird, beträgt. .

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7. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimension der plattenförmigen Ausladung, die senkrecht zur Fließrichtung der Teilchen und parallel zur inneren Wand des Behälters ist, im Bereich von (inne-

1/2 rer Durchmesser des Behälters χ 0,01) ' bis (innerer

1 /2 Durchmesser des Behälters χ 200) ' liegt.
8. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimension einer Ausladung, die senkrecht zur Innenwand des Behälters ist, im Bereich von 5 bis 2OO mm liegt.
9. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- · zeichnet, daß die Ausladungen auf der Innenwand in bezug auf die Fließrichtung der suspendierten Teilchen eine versetzte Anordnung bilden.
10. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichent, daß die stabartigen oder rohrförmigen Ausladungen auf der Innenwand eine dreieckig versetzte Anordnung bilden, deren Abstand im Bereich von (äußerer Durchmesser der Ausladung χ 1) bis (äußerer Durchmesser der Ausladung χ 2) liegt.
11. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen oder rohrartigen Ausladungen auf der Innenwand eine rechteckig versetzte Anordnung bilden, deren Abstand im Bereich von (äußerer Durchmesser der Ausladung x 1) bis (äußerer Durchmesser der Ausladung χ 1,415) liegt.

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12. Wirbelschichtreaktor mit Ausladungen auf dem Teil der Innenwand, die ein Wirbelbett begrenzt, wobei die durch diese Ausladungen gebildeten Schutzzonen Im wesentlichen die gesamte Wand bedecken»

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