DE2240695C3 - Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen im Wirbelbett - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen oder Stoffbchandlungen im Wirbelbett, bestehend aus der eigentlichen, durch eine horizontal angeordnete Verteilerplatte in einen Ober- und Unterraum unterteilten Reaktionskammer und einem zentrisch angeordneten, kurz oberhalb der Verteilerplatte beginnenden Steigrohr sowie einer ersten Gashaüptzufuhrleitung unterhalb der Verteilerplatte im Unterraum und einer zweiten Gaszufuhrleitung in das Steigrohr.

In einer derartigen Vorrichtung wird mittels Zuführung von Gas in die Reaktionskammer und mittels einer in der Kammer befindlichen pulverförmigen Masse, welch letztere vor der Zuführung des Trägergases auf der mit Öffnungen versehenen Verteilerplatte gegeben wird, ein Wirbelbett gebildet. Der Durchfluß des Trägergases durch die Kammer wird so geregelt, daß die Geschwindigkeit des Gases einerseits ausreicht, um die pulverförmige Masse von der Platte aufzuwirbeln, aber andererseits nicht ausreicht, um die pulverförmige Masse aus dem im Oberraum befindlichen Auslaß hinauszuwirbeln. Es ist bekannt, daß die pulverförmige Masse ein Wirbelbett bildet, in welchem die Pulverkörner derart frei sind, daß das Gas ungehindert zwischen ihnen durchfließen kann. Die mit öffnungen versehene Platte kann beispielsweise aus dünnen metallischen Drähten bestehen, oder ein Gitter bilden.

Das Wirbelbett kann zu einer Reaktion des das Wirbelbett erzeugenden Gases mit der pulverförmigen Masse verwendet werden. Andererseits kann die pulverförmige Masse ein Katalysator sein, der die Reaktion zwischen den Einzelbestandteilcn des Trägergases fördert. Der Oberraum kann auch mit Einlassen versehen sein, durch welche ein zusätzliches Gas cinlcilbar

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ist, das mit dem Trägergas oder mit einem Bestandtei desselben unier Einwirkung (der hier als Katalysatoi wirkenden) pulverförmigen Masse reagieren soll Zweck des zusätzlichen Gases kann auch eine Reaktior mit der pulverförmigen Masse sein, die wie beschrieber durch das Trägergas verwirbelt wird.

In allen vorgenannten Fällen ist die Kontaktfläch« zwischen den Pulverkörnern und dem Gas durch die Wirbelung groß, da die Pulverkörner einander gegen über frei sind. Dadurch wird die Reaktionsgeschwindig keit erhöht. Für den Fall, daß die Körner der pulverför migen Masse selbst an der Reaktion beteiligt sind, wire die Reaktionsgeschwindigkeit durch die große Kon taktfläche beschleunigt, da die diffusionsabhängiger Beschränkungen minimiert werden.

Ein Wirbelbei! hat eine sehr hohe Wärmeleilfähig keit und einen entsprechend hohen Wärmeübertra gungskoeffizienten zwischen Bett und Kammerwand Infolge dieser höhen Wärmeleitfähigkeit und des erhöhten Wärmeübertragungskoeffizienten herrscht eine mehr oder weniger konstante Schichttemperatur, se daß der Wärmezu- und -abfluß in bezug auf die Kammer sehr leicht regulierbar ist.

In einigen Fällen besteht die pulverförmige Masse aus einer Mischung aus zwei oder mehreren Bestandteilen mit unterschiedlichen Dichten und verschiedenei Korngröße. In diesem Fall können Entmischungserscheinungen auftreten. Diese Entmischungen sind von Nachteil, da sie ein schlechtes Fließverhallen und eine schlechte Wärmeübertragung in der verwirbelten Schicht verursachen können.

Von Natur aus besitzt jede Komponente für das Trägergas eine minimale und eine maximale Geschwindigkeit zur Bildung eines Wirbelbettes. Man kann eine Entmischung dadurch verhindern, daß man eine lineare Geschwindigkeit für das Gas auswählt, welche über der nimimalen Fließgeschwindigkeit des schwersten PuI-verbesidndteils liegt. Diese lineare Geschwindigkeit des Gases führt zu einer starken Turbulenz in der Wirbelschicht, die ein Mischen der zwei oder mehreren Bestandteile der pulverförmigen Masse begünstigt. Ein Nachteil dieser Lösung ist der erhöhte Verbrauch an Trägergas. Außerdem besteht die Gefahr, daß die feinsten Teilchen des leichtesten Bestandteils ausgewaschen werden.

Ein anderer Lösungsweg zur Vermeidung der Entmischt!;', erscheinungcn im Wirbelbett besteht darin, die .<!■ igrößen derjenigen Komponenten aufeinander abzustimmen, die in ihren Dichten stark unterschiedlich sind. Die Kornfraktion des schwersten Bestandteils wird also derart vorbehandelt, daß die in Frage kommenden Körner erheblich kleiner sind als die des leichtesten Bestandteils. Der Nachteil dieser Lösung ist in dem zusätzlichen, vorherigen Arbeitsschritt des Zerkleinerns zu sehen.

Ferner ist es bekannt, in der Kolonne ein Steigrohr hinreichend großen Durchmessers anzuordnen, dessen unteres Ende oberhalb der mit Öffnungen versehenen Platte liegt und dessen oberes Ende in den Oberrauni der Kolonne mündet. Der größere Teil des Trägergases wird derart in dieses Steigrohr eingeleitet, daß das Gas und Feststoffbestendteilc im Steigrohr nach oben gefördert werden.

Der Durchmesser eines solchen Steigrohres beträgt beispielsweise die Hälfte des Durchmessers des Kolonnenoberraumes. Auf diese Art erhält man ein Wirbelbett mit einem im Rohr aufsteigenden Teil und einem im außerhalb des Steigrohres liegenden Raum abfallen-

den Teil. Eine solche Reaktionskammer mit einem verhältnismäßig großen Steigrohr kann in der Praxis nicht zur Verhinderung einer Entmischung pulverförmiger Massen verwendet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besieht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen oder Stoffbehandlungen im Wirbelbett zu schaffen, deren Schicht, vom allgemeinen Gesichtspunkt her gesehen, stationär ist, und bei der die Entmischung der pulverförmigen Masse auf einfache Weise verhindert wird, ohne daß sich der Verbrauch an Trägergas erhöht und ohne daß es zur Verhinderung einer Entmischung notwendig ist, die Einzelbestandteile zusätzlich vorzubehandeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Glocke, in die das untere Ende ues Steigrohres und die zweite Gaszufuhrleitung einmünden und die wenig oberhalb der Verteilerplatte endet.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Glockenunterseite und der Oberfläche der Platte zwischen 1 :2 und 1:10.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Glokkenunterseite und dem Querschnitt des Steigrohrs zwischen 3 und 50.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen ausführlich edäutert. Es zeigt

F i g. I eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt,

F i g. 2 einen Schnitt gemäß 11-11 in F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt gemäß Ill-Ill in F i g. 1,

F i g. 4 einen mehr schematischen Schnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den einzelnen Figuren werden für analoge Bauteile gleiche Bezugsnummern verwendet.

Die Vorrichtung gemäß den Fig.! bis 3 besteht im wesentlichen aus einem Hohlzylinder, dessen senkrechte Wand in zwei Abschnitte geteilt ist. Der Oberteil 1 ist mit einem Flansch 3 versehen und der Unterteil 2 mit einem Flansch 4. Eine mit Öffnungen versehene Verteilerplatte 10 ist mit ihrem Rand zwischen den Flanschen 3 und 4 angeordnet, wobei die letztgenannten durch Bolzen 5 und Muttern 6 zusammengehalten werden. Der Unterteil 2 des Hohlzylinders bildet mit dem Boden 7 eine Einheit, wobei in dem Boden 7 ein Einlaßstutzen It zur Verbindung mit einem Zuleilrohr für das Trägergas vorgesehen ist. Der Boden 7, das Unterteil 2 und die Platte 10 begrenzen einen mit 8 bezeichneten unteren Raum. Oberhalb der Platte 10 umschließt das Oberteil 1 den oberen Raum 9.

In Richtung des Pfeiles 12 wird Trägergas durch eine erste Gashauptzufuhrlcitung und den Einlaßstutzen 11 in den Unterraum 8 geleitet. Dieses Trägergas wird durch die in der Platte 10 angebrachten Öffnungen geteilt, und im weiteren Verlauf folgt es den Richtungen der Pfeile 13 und entweicht schließlich aus dem Auslaß 14. Mit dem Auslaß 14 können Filter verbunden sein, welche dann in eine weitere Leitung einmünden können, die das Gas zu Vorrichtungen, wie Zyklonen, zum Zweck der Weiterbehandlung oder auch zu Vorratsbehältern führt.

Im Oberraum 9 ist eine Glocke 15 angeordnet. Diese nach unten offene Glocke 15 wird so gehalten, daß der untere freie Rand 23 ungefähr 1 cm oberhalb der Platte 10 liegt. Die Glocke 15 ist mittels kleiner Stäbchen 17 mit dem Oberteil 1 des Hohl/ylindcrs verbunden Die von den Stäbchen eingenommene Oberfläche ist gegenüber dem Kolonnenquerschnitt vernachlässigbar, so daß die Stäbchen 17 die Glocke sieher in der Säule halten, ohne den Gasabfluß zu behindern.

Eine zweite Gaszufuhrleitung 16 mündet in die Seitenwand der Glocke 15 ein. Diese Leitung 16 geht durch den Oberteil 1, so daß Fördergas über die genannte Leitung 16 in Richtung des Pfeils 22 der Glocke 15 zuführbar ist. Der Oberteil der Glocke 15 ist mit

ίο einem Steigrohr 19 verbunden, das mittels Stäbchen 18 mit dem Oberteil 1 der Zylinderwand verbunden ist. Die Stäbchen 18 besitzen ebenfalls eine gegenüber dem Saulenquerschn.it vernachlässigbare Oberfläche, so daß sie άέη Abfluß nicht beeinträchtigen.

Die für die Gasförderung vorgesehene Leitung 16, die Glocke 15 und das Steigrohr 19 bilden zusammen einen gasbetriebenen Förderer. Bevor die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird, wird eine pulverförmige Masse auf die Platte 10 gegeben. Mit der Zuführung des Gases bildet die pulverförmige Masse ein Wirbelbett. Der Zweck des gasbetriebenen Förderers besteht darin, Entmischungen zu vermeiden. Dabei wird der in der Glocke 15 befindliche Raum einerseits durch die das Steigrohr 19 umgebende Wirbel-Phase und andererseits durch das unmittelbar durch die Zuführung 16 in die Glocke geleitete Gas unter Druck gesetzt. Somit entsteht in der Glocke 15 eine aufwärts gerichtete Strömung zum Steigrohr 19 hin und vom Steigrohr 19 zum oberen Teil des Oberraums 9. Außerdem strömt die pulverförmige Masse in Richtung der Pfeile 24 und 25. Diese pulverförmige Masse strömt dann in Richtung der Pfeile 26, also in Nachbarschaft des Steigrohrs 19 abwärts auf die Platte 10 zu. Zwischen dem Steigrohr 19 und dem Oberteil 1 der Zylinderwandung ergibt sich also eine abwärts gerichtete Strömung von Feststoffen, d. h. also in eine der Verdrängung des Trägergases entgegengesetzte Richtung. Durch die Zuführung 16 und das Steigrohr 19 wird eine relativ geringe Menge Fördergas geleitet. Mit Hilfe einer regulierbaren Fördergasmenge ist es möglich, die Durchflußleistung des Feststoffes im gasbetriebenen Förderer einzustellen. Für den Fall, daß sich trotz Einwirkung des durch Einlaßstutzen 11 zugeführten Trägergases von zwei anfänglich auf die Platte 10 eingebrachten Bestandteilen derjenige Bestandteil, der die größte Dichte bzw. die höchste Kornfraktion besitzt, sich ziemlich schnell auf der Platte 10 absetzen will, wird dies durch den gasbetriebenen Förderer dadurch verändert, daß die sich normalerweise auf der Platte 10 gebildete Schicht mit Hilfe des gasbetriebenen Förderers in das Wirbelbett zerstreut wird. Um eine zweckmäßige Arbeitsweise des gasbetriebenen Förderers zu erhalten, muß das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Glockenunteiscite und der dem Säulenquerschnitt entsprechenden PUutenoberfläche zwischen I : 2 und 1 : 10 und das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Gloekcnunterseitc und dem Querschnitt des Steigrohres 19 zwischen 3 und 50 betragen.

Das Steigrohr 19 ist mit einer durch die Stäbchen 21 abgestützten Kappe 20 versehen, um zu verhindern, daß die Körner zu weit aufwärts aus dem Steigrohr 19 geschleudert werden. Die Stäbchen 21 sind hinreichend klein, um die aus dem Rohr 19 austretende Strömung nicht merklich zu stören.

Versuche haben ergeben, daß die Kappe 20 gegebenenfalls fehlen kann.

Vom konstruktiven Gesichtspunkt her kann die mit Öffnungen versehene Platte 10 auf verschiedene Weise

ausgebildet werden, vorzugsweise ist sie als Gitter ausgebildet. Die Platte 10 bildet also ein Sieb.

Die in F i g. 4 schematisch dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von den F i g. 1 bis 3 einerseits dadurch, daß für größere Kolonnenquerschnitte (größeres Wirbelbett) mehrere gasbetriebenc Förderer eingebaut sind und andererseits dadurch, daß im Oberraum 9 in der Zylinderwandung Einlasse 27 für ein Reaktionsgas vorgesehen sind. Der Oberraum 9 wird also nicht nur vom Unterraum 8 her durch die in der Platte 10 vorgesehenen öffnungen mit Trägergas und durch die in die Glocke 9 mündende Leitung 16 mit Fördergas gespeist, sondern auch mit Gas, das an der Reaktion teilnehmen soll und welch letzteres unmittelbar durch die Wandung des Oberteils 1 zugeführt wird. Nachfolgend wird über Versuche berichtet, die in der in F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform durchgeführt wurden. Ober- und Unterteil der Kolonne hatten einen Innendurchmesser von 94 mm. Die Glocke 15 hatte einen Innendurchmesser von 50 mm und das Steigrohr 19 einen Innendurchmesser von 10 mm. Das Sieb 10 bestand aus einem starren Gitter aus Monclmetall. Die Maschenabmessungen betrugen höchstens 20 Mikron. Die Glockenhöhe betrug 40 mm und die des Steigrohres 510 mm. Durch den Einlaßstutzen 11 wurde Stickstoff mit einer regulierbaren Menge von etwa 4000 I pro Stunde zugeführt.

Ein erster Versuch wurde mit einer aus 5 kg UO2 bestehenden pulverförmigen Mischung mit einer Dichte von 10 g/cm³ und einer Korngröße von mehr als 170 Mikron und aus 10 kg AI2O3 mit einer Dichte von 4 g/cm³ und einer Korngröße zwischen 100 und 200 Mikron ausgeführt.

Der erste Teil des Versuches wurde ohne den gasbetriebenen Förderer ausgeführt, d. h. ohne durch die Leitung 16 der Glocke 15 Gas zuzuführen.

Nach einigen Minuten eines Wirbelzustandes unter Zuführung gasförmigen Stickstoffs bildet sich eine feste Pulverschicht von UO2 auf der Platte 10. Anschließend setzte man den gasbetriebenen Förderer derart ein, daß man der Giocke 15 Stickstoff mit einer einstellbaren Liefermenge zwischen 100 und 10001 pro Stunde durch die Zuführung 16 zuführte. Die feste Pulverschicht ist dann nach wenigen Augenblicken verschwunden.

Die auf diese Art vermischten Bestandteile zeigten auch nach mehreren Stunden im Wirbelbett keine Neigung zur erneuten Entmischung. Es wurde ein ununtcrbrochener Strom von Pulver in Richtung der Pfeile 24, 25 und 26 beobachtet.

Ein zweiter Versuch wurde mit einer Pulvermischung aus 5 kg UO2 mit einer Korngröße von weniger als 177 Mikron und aus 10 kg AI2O3 mit einer Korngröße zwischen 200 und 100 Mikron ausgeführt. Die Mischung enthielt feine Teilchen von UO2 mit einer Korngröße von weniger als 37 Mikron. Der gasbetriebene Förderer wurde sofort in Tätigkeit gesetzt, wobei Stickstoff in einer regulierbaren Liefermenge zwischen 100 und 1000 1 pro Stunde durch die Zuführung 16 der Glocke 15 zugeführt wurde. Die feinen UO2-Tei!chcn wurden durch (in der Figur nicht dargestellt) Filter zurückgehalten, die in der Höhe des Auslasses 14 angeordnet waren. Die kleinen, von diesen Filtern zurückfallenden Teilchen wurden sofort mit den aus dem Förderer austretenden Pulver überschüttet. Die feinen Teilchen wurden dadurch im fließenden Gasstrom abwärts getrieben, da die Abstiegsgeschwindigkeit der festen Teilchen höher ist als die Aufstiegsgeschwindigkeit

2j der feinen Teilchen.

Aus dem vorbeschriebenen folgt, daß das mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen gasbetriebenen Förderer erzeugte Wirbelbett erhebliche Vorteile gegenüber bekannten aufweist. Die den gasbetriebenen Förderer bildenden zusätzlichen Bauteile können auf einfache Weise hergestellt und in die Kolonne eingebaut werden. Verschiedenartige Glocken mit Ausgangs- oder Austrittsöffnungen können in einer einzigen Kolonne angeordnet sein. Eine aus Bestandteilen mit starken Entmischungseigenschaften bestehende pulverförmige Mischung kann ohne Zusatzmaßnahmen in die Vorrichtung eingesetzt werden. Das Leistungsvermögen der Vorrichtung kann dadurch erhöht werden, daß die feste Phase im Gegenstrom zur gasförmigen Phase fließt Die Gegenstromfrequenz der gasförmigen und der fe sten Phase wird in Abhängigkeit von der Durchflußleistung der festen Phase in der Glocke 16 und im Steig rohr 19 erhöht, wodurch chemische Umsetzungen be günstigt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 22

1. Vorrichtung zur Durchführung von chemischen Reaktionen oder Stoffbehandlungen im Wirbelbett, bestehend aus der eigentlichen, durch eine horizontal angeordnete Verteilerplatte in einen Ober- und Unterraum unterteilte Reaktionskammer und einem zentrisch angeordneten, kurz oberhalb der Verteilerplatte Deginnenden Steigrohr sowie einer ersten Gashaüptzufuhrleitung unterhalb der Verteilerplatte im Unterraum und einer zweiten Gaszufuhrleitung in das Steigrohr, gekennzeichnet durch eine Glocke (15), in die das untere Ende des Steigrohrs (19) und die zweite Gaszufuhrleitung (16) einmünden und die wenig oberhalb der Verteilerplatte (10) endet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Platte (10) und dem unteren Ende der Glocke (15) etwa 1 cm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Glockenunterseite und der Oberfläche der Platte (10) zwischen 1 : 2 und 1 : 10 liegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Glockenunterseite und dem Querschnitt des Steigrohres (19) zwischen 3 und 50 liegt.