DE2420640B2 - Verfahren zur elektroinduktiven Erwärmung von aus Festkörperteilchen aufgebauten Wirbelbetten - Google Patents
Verfahren zur elektroinduktiven Erwärmung von aus Festkörperteilchen aufgebauten WirbelbettenInfo
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Description
-=- = fc (0,54-0,35-10Iogo)
bestimmt ist, wobei ρ der Zahlenwert des in Ohm · m gemessenen spezifischen Widerstandes
des Wirbelbettes und k eine Zahl zwischen 1,1 und 1,5 ist und ό sich aus der bekannten Gleichung
Λ =
ergibt, in welcher ω die Kreisfrequenz des elektromagnetischen Feldes, μ die Permeabilität und
ρ den spezifischen Widerstand des Wirbelbettes bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Reaktor (ίθ) mit einer
Reaktorkammer durchgeführt wird, deren Wäade eine bestimmte Gasdurchlässigkeit haben und die
von außen her m,it einem elektrisch isolierenden Gas beaufschlagt werden, dessen Druck höher ist als der
höchste zu erwartende Druck innerhalb der Reaktorkammer.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen inertes Gas
benutzt wird, das ein Sauerstoff- oder Wasserstoffpotential einer solchen Größe hat, daß ein
Kohlenstoffniederschlag zumindest in den Bereichen der Reaktorkammerwand verhindert wird, die
im Bereich der Induktionsspule liegen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Wirbelbett- bzw. Wirbelschichttechnik wird bei
einer Vielzahl von verschiedenen Verfahren angewandt, bei denen die speziellen Eigenschaften der Wirbelbetttechnik ausgenutzt werden, und zwar insbesondere eine
hohe Massen- und Wärmeübertragungsgeschwindigkeit, die Möglichkeit der Aufrechterhaltung einer
gleichmäßigen Wirbelbettemperatur und die einfache Steuerung derselben, und die besondere Eignung der
Wirbelbettechnik für kontinuierliche Verfahrensabläufe. Bei Durchführung von endothermen Reaktionen in
einem Wirbelbett ist häufig die Wärmezufuhr zu dem Wirbelbett ein Problem. Die Anwendbarkeit der
Wirbelbettechnik auf dem chemischen und ..aetallurgi
sehen Gebiet könnte stark dadurch verbreitert werden,
wenn es möglich wäre, das Wirbelbett elektrisch zu erwärmen.
Es sind bereits Versuche unternommen worden, das Wirbelbett auf verschiedene Weise elektrisch zu
erwärmen. So kann das Bett beispielsweise durch Widerstandsheizung erwärmt werden, indem durch das
Bett mittels Elektroden ein elektrischer Strom geschickt wird, oder die Wärme kann direkt von elektrischen
Widerstandselementen abgeleitet werden, die in das
Es sind weiterhin elektroinduktive Erwärmungstechniken üblich. Wenn ein niederfrequenter Strom benutzt
wird, wird die Wärme dem Bett über einen induktiv erwärmten Metallring zugeführt, der in das Bett
eingetaucht ist, oder die Reaktorwandung wird in vergleichbarer Weise erwärmt Die induktive Erzeugung von Wärme im Bett selbst ist ebenfalls bekannt;
dieses Verfahren konnte bisher jedoch nur unter Anwendung sehr hochfrequenter Ströme durchgeführt
werden, wobei die Frequenzen einen solchen Wert haben mußten, daß die Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes in jeden Teil des Bettes von der gleichen
Größenordnung ist wie der Querschnitt dieses Teiles.
Aus der CH-PS 4 07 060 ist des weiteren ein
Verfahren bekannt zur elektroinduktiven Erwärmung
von Festkörperteilchen, die einen größeren spezifischen Widerstand ρ als Metall haben, im Wirbelbett einer
Reaktorkammer, bei dem die unmittelbare elektroinduktive Erwärmung der Festkörperteilchen innerhalb
des Wirbelbettes mittels Mindestens einer Induktionsspule erfolgt, die vom Wechselstrom durchflossen wird
und außerhalb der Reaktorkammer angeordnet ist. Dieses bekannte Verfahren ist auf die elektroinduktive
Erwärmung eines aus elektrisch leitenden Metallteil
chen aufgebauten Wirbelbettes beschränkt und eignet
sich nicht zur induktiven Erwärmung von sehr
unterschiedlichen metallischen und nichtmetallischen
rung eines magnetischen Wechselfeldes über einer Masse elektrisch leitenden Materials einen sekundären
Strom in der Masse induzieren kann, die dadurch erhitzt wird. Bei dieser Anwendung des Prinzips der induktiven
Erwärmung finden gemäß der Enzyklopädie der
chemischen Technologie von Ullmann, Band 1, Seite
876, Dimensionierungsregeln Verwendung, nach denen die Querabmessung des Bettes viermal so groß wie die
Eindringtiefe sein soll. Wenn diese Regel auf Wirbelbetten, die einen größeren speiifischen Widerstand als
Metall haben, Anwendung finden sollte, so würde dies zu in technischer und ökonomischer Hinsicht uninteressanten Kombinationen von hohen Frequenzen und/oder
großen Bettdurchmessern führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der genannten Art so zu verbessern, daß bei
gegebenem spezifischen Widerstand des Wirbelbettes das Verhältnis zwischen den Querabmessungen des
Bettes und der Eindringtiefe kleiner wird, dall
beispielsweise bei gleichen Bettabmessungen mit niederigeren Frequenzen gearbeitet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst
Der Widerstand des Bettes kann innerhalb bestimmter Grenzen eingestellt werden, indem unter anderem das
Ausmaß der Fluidisierung, das Fluidisiermedium selbst, die Teilchengröße des Bettmaterials und die Bettemperatur
eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, Reaktionen in Wirbelbetten bzw. Wirbelschichten
durchzuführen, die direkt induktiv erwärmt werden und Dimensionen haben, die im großtechnischen Maßstab
Verfahrensabläufe gestatten, ohne daß extrem hohe Frequenzen benötigt werden. Wenn beispielsweise ein
kreisförmiges Wirbelbett mit einem Durchmesser von 7,5 m induktiv erwärmt wird, wobei das Bettmaterial aus
Kokspartikeln mit einer mittleren Korngröße von 0,15 mm besteht, wobei der spezifische Widerstand bei
6,5 Ohm · m liegt, reicht eine Frequenz von 2600 Hz aus, wenn das Verhältnis von Induktionsspulenhöhe zu
Induktionsspulendurchmesser 0,6 :1 betray\
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können in vorteilhafter Weise in einem Wirbelbett
mit einem elektromagnetischen Feld verhältnismäßig geringer Stärke sehr hohe Energiemengen erzeugt
werden. Wenn die Induktionsspule aus Kupfer besteht, liegen die Verluste, die durch die induktive Erwärmung
der Induktionsspule hervorgerufen werden, nur bei einigen wenigen Prozent der zugeführten Energie. Bei
dem oben beschriebenen Beispiel wurden in dem Koksbett etwa 30 MW bei einer Feldstärke von nu/
50kA/m erzeugt; die Verluste in der Kupferspule erreichen nur 600 kW, d. h. etwa 2% der zugeführten
Energie.
Dieses gute Ergebnis wurde erreicht mit einem Verhältnis von Reaktordurchmesser zur Eindringtiefe
von nur 0,29:1 und zwar verglichen mit dem
Standartverhältnis von 2,5 :1, wenn mittels der bekannten Techniken Material mit niedrigem spezifischem
Widerstand erwärmt wird. Der elektrische Ausnutzungsfaktor, der sich mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erreichen läßt, ist, verglichen mit dem Wirkungsgrad bekannter induktiver Erwärmungstechniken,
außerordentlich hoch.
Verglichen mit bekannten Ver'ahren zur Zuführung von Wärme zu einem Wirbelbett lassen sich mit dein
erfindungsgemäßen Verfahren folgende Vorteile erzielen:
1. In dem Bett können sehr große Energiemengen erzeugt werden, ohne daß die Gefahr einer
örtlichen Überhitzung besteht, die jedoch dann vorhanden ist, wenn, wie bei den bekannten
Verfahren, mit einer Verbrennung von Brennstoffen innerhalb des Bettes oder der Erwärmung des
Bettes durch die Reaktorwandung mittels Heizelementen oder Elektroden gearbeitet wird.
2. Es bestehen keine Materialprobteme, wie sie bei Anwendung der bekannten Heiztechniken auftreten.
3. Es kann ein Strom mit einer nicht allzu hohen Frequenz verwendet werden, was gegenüber den
bisher benutzten, sehr hochfrequenten Strömen geringere Kosten verursacht.
4. Man kann auf die sehr aufwendige und komplizierte ElektrodenausHJstung verzichten, wodurch auch
die Kos Un für das Verfahren herabgesetzt werden.
5. Die zugeführte Energiemenge kann einfach gesteuert werden, und zwar ebenso wie die
Reaktortemperatur.
6. Es kann ein Reaktor verhältnismäßig einfacher Bauart verwendet werden.
7. Die Abdichtung des Reaktors wird vereinfacht.
8. Hinsichtlich der Reaktorkonstruktion besteht eine größere Flexibilität
ίο Bei Reaktoren, die für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind, schafft die elektrische Isolierung zwischen aufeinanderfolgenden
Windungen der Induktionsspule und gegebenenfalls auch zwischen einzelnen Spulenteilen gewisse Probleme,
wenn die Reaktorwände ein bestimmtes Durchlaßvermögen für Gase haben. Es hat sich u. a. herausgestellt,
daß Kohlenmonoxyd enthaltendes Gas in bestimmten Fällen in der Lage ist aus der Reaktorfüllung
die Reaktorwand zu durchdringen und einen Kohlensioffniederschlag zu bilden der im Bereich der
Spule zu einer Funkenbildung u'hren kann. Diese
Probleme treten insbesondere bei sehr großen induktiv beheizten Reaktore und öfen auf, bei denen Spannungen
benötigt werden, die bisher bei induktiven Heiztechniken nicht benutzt worden sind. Ein weiterer
Nacliceil der den bisher verwendeten Spulen von induktiv beheizten Reaktoren bzw. öfen anhaftet,
besteht darin, daß im Falle von Beschädigungen der Spule die Spule insgesamt ausgetauscht werden muß,
jo was sehr zeitaufwendig und auch teuer ist
Die Funkenbildung im Bereich der Induktionsspule kann weitgehend verhindert werden, wenn das Verfahren
in einem Reaktor durchgeführt wird, dessen Reaktorkammer von Wänden umgeben ist die die
y, Induktionsspule gegenüber der Reaktorkammer isolieren
und dennoch ein gewisses Gasdurchlaßvermögen haben, wenn der Außenseite der Reaktorwand ein
Druckgas zugeführt wird, dessen Druck höher ist als der höchste in der Reaktorkammer zu erwartende Druck,
wobei ein Gas benutzt wird, das nicht in der Lage ist, e;ne elektrisch leitende Verbindung zwischen den
einzelnen Spulenwindungen herzustellen.
Wenn die Gefahr besteht, daß sich an der Reaktorwand Kohlenstoff niederschlägt L zw. absondert,
beispielsweise wenn Reduktiorsprozefse unter Verwendung von kohlenstoffhaltigen Reduktionsmitteln
durchgeführt werden, ist vorgesehen, ein im wesentlichen inertes Gas zu verwenden, dessen
Sauerstoff- oder Wasserstoffpotential derart ist, daß das
w Niederschlagen bzw. Ablagern von Kohlenstoff zumindest
in dem Bereich der Reaktorkammerwände verhindert wird, die der Induktionsspule gegenüberliegen.
Beispiele von Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der
Fig. 1 bis 12 erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Schniuansicht eines Reaktors
zur Erzeugung von Petroleumkoks;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Reaktors
zum Reduzieren und/oder Karburieren eines gasförmigen Stoffes;
Fig.3 bis 5 Schnittansichten von Recktoren zum Reduzieren von Metalloxyden;
F i g. 6 bis 9 Schnittansichten von verschiedenartig gestalteten Wand'jilen eines für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Reaktors; Fig. 10 ausschnittsweise eine Draufsicht einer Induktionsspule, die aus mehreren sich nur über einen
F i g. 6 bis 9 Schnittansichten von verschiedenartig gestalteten Wand'jilen eines für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Reaktors; Fig. 10 ausschnittsweise eine Draufsicht einer Induktionsspule, die aus mehreren sich nur über einen
verhältnismäßig kleinen Bogenwinkel erstreckenden
Einzelelementen zusammengesetzt ist;
F i g. 11 eine perspektivische Teilansicht einer Induktionsspule, die gemäß den Darstellungen von F i g. 9 und
10 konstruiert ist, und
Fig. 12 eine teilweise Seitenansicht von zwei Teilspulen, die aus ebenen Spulenwindungen zusammengesetzt sind.
Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor 10 weist eine Gaseinlaßöffnung 11, eine Gasauslaßöffnung 12 und
einen Rost 13 auf, über dem sich das Wirbelbett 14 befindet. Der Reaktor ist in der Höhe des Bettes 14 von
einer Induktionsspule 15 umgeben, die an eine nicht dargestellte Wechselstromquelle angeschlossen ist.
Dem Bett 14 werden kontinuierlich durch Leitungen 16 Kohlenwasserstoffe zugeführt, bei denen es sich um die
schweren Kohlenwasserstofffraktionen handelt, die beim Kracken von !Erdöl erhalten werden.
Das Bett 14, das hauptsächlich aus Koks besteht, wird auf einer solchen Temperatur gehalten, daß die
Kohlenwasserstoffe, die vorzugsweise in einem vorerwärmten Zustand zugeführt werden, gekrackt werden
und neuen Koks zusammen mit gasförmigen Brennstoffen bildet, die den Reaktor zusammen mit dem das
Wirbelbett aufbauenden Gas durch die Auslaßöffnung 12 verlassen. Diese Gase können als Brennstoff
weiterverwendet werden. Ein Teil dieser Gase kann dem Reaktor 10 vorzugsweise in heißem Zustand durch
die Einlaßöffnung 11 zugeführt werden, um das Wirbelbett zu erzeugen. Die während des Krackprozesses
gebildeten gasförmigen Stoffe tragen ebenfalls zum Aufbau des Wirbelbettes bei, wobei diese gasförmigen
Stoffe unter gewissen Bedingungen allein zum Aufbau des Wirbelbettes dienen können, so daß die Gaszufuhr
durch die Einlaßöffnung 11 unterbrochen werden kann.
Die Verweilzeit der Feststoffe in dem Wirbelbett und die Temperatur des Bettes können so eingestellt sein,
daß der dem Reaktor zugeführte feste KohlenwasserstoffrücksianH
die erwünschte Qualität erreicht. Die Verweilzeit und die Temperatur des Bettes können
beispielsweise so eingestellt werden, daß der resultierend: Koks auch im Hinblick auf Schwefel raffiniert
wird.
Dem Bett 14 wird Koks durch eine Auslaßleitung 17 mit der gleichen Geschwindigkeit entnommen, mit der
in dem Bett neuer Koks gebildet wird; das obere offene Ende der Auslaßleitung 17 liegt auf einem Niveau mit
der Oberfläche des Wirbelbettes 14.
In F i g. 2 haben die Bezugszeichen 10- 13 und 16 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Durch die Gaseinlaßöffnung
11 wird --in Gas zugeführt, welches reduziert und karburiert werden soll, beispielsweise ein Gas, das
zur Reduktion von Metalloxyden benutzt werden soll und CO, H2, CO2 und H2O enthält Das vorzugsweise
vorerwärmte Gas wird dem Reaktor 10 zugeführt, um das Wirbelbett aufzubauen. Die für die Reduktion und
die Karburierung benötigten Kohlenwasserstoffe werden dem Bett 14 durch Leitungen 16 zugeführt In
diesem Fall besteht das Bett 14 aus Metallpartikeln, die mit Kohlenstoff überzogen sind und beim Reduktionsund Karburierungsprozeß einen katalytischen Effekt
haben. Der sich auf den Metallpartikein befindende Kohlenstoffüberzug, der während des Reduktions- und
Karburierungsprozesses verbraucht wird, wird dadurch erneuert, das eine so hohe Bettemperatur aufrechterhalten wird, daß durch Pyrolyse der durch die Leitung 16
zugeführten Wasserstoffe und durch Kracken der pyrolysierten Gase Kohlenstoff gebildet wird, der sich
wiederum auf den Metallpartikeln ablagert.
In Fig.3 haben die Bezugszeichen 10- 13,15 und 16
die gleiche Bedeutung wie in den F i g. 1 und 2. Metalloxyde, beispielsweise Eisenoxyd, mit einer zum
% Aufbau eines Wirbelbettes geeigneten Teilchengröße werden durch die Leitung 16 dem unteren Teil des
Bettes 14 zugeführt, das hauptsächlich aus Koks besteht und ein Reduziermittel, vorzugsweise Kohlenwasserstoffe enthält, die für die Reduktion der Metalloxyde
ίο benötigt werden. Wenn das Reduktionsmittel gasförmig
ist, kann es dem Bett statt durch die Leitung 16 durch die Gaseinlaßöffnung 11 zugeführt werden. Die Tempera
tür innerhalb des Reaktors 10 wird auf einen solchen Wert eingestellt, daß die dem Reaktor zugeführten
ι, Kohenwasserstoffe pyrolysiert und gekrackt werden,
um Koks zu bilden, wobei das reduzierte Metall vorzugsweise zusammen mit der resultierenden Koksasch.:
zu größeren Granulaten agglomeriert wird, die aufgrund ihres relativ zum Bettmaterial höheren
:<> spezifischen Gewichtes durch das Bett nach unten sinken und eine Schicht 18 aus verhältnismäßig
grobkörnigem Material bilden, das durch eine Austragsleitung 19 aus dem Reaktor abgezogen wird. Das
Material wird durch diese Leitung 19 mit einer solchen
2-j Geschwindigkeit abgezogen, daß das Volumen des
Wirbelbettes innerhalb der Reaktorkarnmer im wesentlichen unverändert bleibt.
In Fig,·. 4 haben die Bezugszeichen 10—16, 18 und 19
die gleiche Bedeutung wie in Fig. 3; der obere Teil des
»ι Reaktors 10 ist bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4
als eine Strahlungskammer eines (nicht dargestellten) Dampfkessels ausgebildet. Der obere Teil des Reaktors
besteht somit im wesentlichen aus einem nach außen hin wärmeisolierten Mantel 20, durch den Wasser oder
Γι Wasserdampf hindurchströmen kann. Die zu reduzierenden
Metalloxyde werden zusammen mit Koks oder Kohle, der bzw. die eine zum Aufbau eines Wirbelbettes
geeignete Korngröße hat, der Oberseite des Bettes durch konzentrisch angeordnete Einlaßleitungen 21
zugeführt. Dem Beii 14 können durch die Leitung Ifi
gegebenenfalls z. B. Kohlenwasserstoffe zugeführt werden. Das durch die Gaseinlaßöffnung 11 zugeiührte Gas,
welches zum Aufbau des Wirbelbettes dient, kann vorzugsweise ein reduzierendes Gas ein. Die Temperatür
in dem Reaktor wird in der in Verbindung mit F i g. 3 beschriebenen Weise so eingestellt, daß sich eine untere
Schicht 18 aus verhältnismäßig grobkörnigem Material bildet, das aus reduziertem Metall und gegebenenfalls
aus agglomerierter Koksasche bestehen kann. Das grobkörnige Material wird durch die Leitung 19 mit
einer solchen Geschwindigkeit abgezogen, daß sich das Volumen des Wirbelbettes in der Reaktorkammer nicht
ändert Die während des Reduktionsprozesses gebildeten brennbaren Gase werden verbrannt, indem Luft und
vorzugsweise zusätzlicher Brennstoff durch Leitungen 22 zugeführt werden. Die Leitungen 22 münden
oberhalb des Wirbelbettes 14 in die Reaktorkammer, so daß die durch den Verbrennungsprozeß erzeugte
Wärme als Energiequelle für den durchzuführenden
In Fi g. 5 haben die Bezugszeichen 10,12,14—16 und
19—22 die gleiche Bedeutung wie in Fig.4. Bei der
Ausführungsform gemäß F i g. 5 handelt es sich um eine Anlage zur Durchführung eines Reduktionsprozesses,
der dem in Verbindung mit Fig.4 beschriebenen
Reduktionsprozeß vergleichbar ist In diesem Fall wird die Temperatur innerhalb des Reaktors 10 jedoch auf
einen solchen Wert eingestellt, daß das reduzierte
Metall in geschmolzener Form innerhalb einer Bodenschicht 23 erhalten wird, aus der die Schmelze durch die
Leitung 19 abgezogen wird. Zusätzlich zu den Metalloxyden und dem festen Reduktionsmittel können
dem Reaktor durch die Leitungen 21 auch Schlackenbildner oder Raffinierungsmittel zugeführt werden. Das
Wirbelbett wird hauptsächlich durch die während des Reduiitionsprozesses entstehenden Gase aufgebaut.
Durch die über der Zone bzw. Bodenschicht 23 in den Reaktor einmündenden Leitungen 16 kann zusätzliches
Fluidisiermedium, beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe oder ein reduzierendes bzw. inertes Gas.
zugeführt werden.
In Fig. 6 ist ein Teil einer Reaktorwandung dargestellt, die eine keramische Auskleidung 24 und ein
Gehäuse 25 umfaßt. Die die Auskleidung umgehende induktionsspule 15 besteht aus Röhren, die mit einem
durch die Röhren strömenden Kühlmittel gekühlt werden können. Die Spule i5 ist teilweise in eine
keramische Füllmasse 26 eingebettet. Sowohl die Auskleidung 24 als auch die Füllmasse 26 sind in einem
bestimmten Umfang gasdurchlässig.
Um zu verhindern, daß festes, flüssiges oder gasförmiges Material aus der Reaktorkammer durch die
der Spule 15 gegenüberliegende Reaktorwand zur Spule 15 strömt, wird in dem Bereich der Reaktorwand, der
von der Spule 15 umgeben ist, außerhalb des Reaktors ein Überdruck aufgebaut, der über dem höchsten Druck
liegt, der in der zugeordneten Zone der Reaktorkammer zu erwarten ist. Der Überdruck wird mittels eines Gases
aufgebaut, das elektrisch nicht leitend ist, um eine
elektrische Leitung zwischen den einzelnen Windungen der Induktionsspule 15 zu verhindern. Um die
Induktionsspule 15 ist mittels eines Gehäuses 28 eine ringförmige Druckkammer gebildet, der Druckgas,
beispielsweise Luft oder ein im wesentlichen inertes Gas, durch eine Leitung 27 zugeführt wird. Der mittels
des Gehäuses 67 gebildete Druckraum ist gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgedichtet.
Fig. 7 zeigt einen Teil einer Reaktorwandung, die
eine Auskleidung 24, eine Füllmasse 26 und eine
Induktionsspule 15 umfaßt. Die Abschnitte zwischen benachbarten Windungen der Spule sind gegenüber der
dem Reaktor umgebenden Atmosphäre mit einem Dichtmaterial 29 ausgefüllt, das vorzugsweise ein
Isoliermaterial ist. In dem Isoliermaterial 29 sind mehrere Öffnungen 30 angeordnet, durch die in
Richtung der Pfeile Druckgas den Abschnitten der Reaktorwandung 24, 26 zugeführt werden, die sich im
Bereich der Induktionsspule 15 befinden.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform der Reaktorwandung entspricht prinzipiell der Anordnung
gemäß F i g. 7. Ein Teil der aus einer Auskleidung 24 und einer Füllmasse 26 bestehenden Reaktorwand ist von
einer spiralförmig gewickelten Induktionsspule 15 getragen. Die Abdichtung bzw. Isolierung zwischen
benachbarten Spulenwindungen erfolgt mittels eines ebenfalls spiralförmig gewickelten Schlauches 31
od. dgl. aus elastomerem Material. Um verhältnismäßig kleine und damit wirkungsvollere Dichtflächen zwischen
den Schlauch 31 und der Induktionsspule 15 zu erhalten, sind an der Induktionsspuele IS Leitungen 32
angeschweißt, die einen kleinen Durchmesser haben. Der Schlauch 31 dient gleichzeitig dazu, der Reaktorwand
24,26 Druckgas zuzuführen. Der Schlauch 341 ist zu diesem Zweck an eine (nicht dargestellte) Druckgasquelle
angeschlossen und weist Gasauslaßöffnungen 33 auf, die zur Reaktorwand gerichtet sind.
In F i g. 9 ist ein Teil einer Reaktorwandung dargestellt, die eine Auskleidung 24 und eine Füllmasse
26 umfaßt und von einer Induktionsspule 15 umgeben ist. Jede Spulenwindung hat einen trapezförmigen
Querschnitt und ist oben und unten mit nach außen ragenden Flanschabschnitten 34 versehen. Zwischen
den benachbarten Flanschabschnitten 34 von aufeinanderfolgenden Spulenwindungen befinden sich Dichtungseinlagen
35 aus elastomerem Material, die mit Öffnungen 36 versehen sind, durch die der Füllmasse 26
ein Druckgas zugeführt werden kann. Die Dichtungseinlagen 35 sind über ihre Länge mit mehreren derartigen
Öffnungen 36 versehen. Das Druckgas wird den Öffnungen 36 durch Verteilerleitungen 37 zugeführt, die
zu einer Hauptleitung 38 führen, welche zur Versorgung von mehreren Verteilerleitungen 37 dient.
In Fig. 10 ist dargestellt, wie jede Spulenwindung einer Spule 15 aus mehreren Einzelelementen 39a — 39c/
zusammengesetzt sein kann, die jweiis in ein und derselben Ebene liegen und von denen jedes sich über
einen Bogen von weniger als 180° erstreckt. Die zwischen den Elementen 39a-39c/liegenden Leitungen
40 dienen zur Führung eines Kühlmittels und gegebenenfalls auch zur Stromführung zwischen benachbarten
Elementen 39a —39c/. Zwischen den Einzelelementen
sind Dichtungselemente 41 angeordnet.
Fig. Il zeigt in vergrößertem Maßstab den Anschlußpunkt
zwischen zwei benachbarten Einzelelementen 39a und 39t, die im wesentlichen die in Fig. 9
abgebildete Fern haben. Die Flanschabschnitte des einen Elementes 39a hören kurz vor dem Ende dieses
Elementes auf, während das andere Element 396 mit einem Flansch 42 versehen ist. der über das Element 39a
ragt. Die Abdichtung zwischen benachbarten Elementen 39a und 39£>
erfolgt mittels einer Dichtung 43, die zwischen der Innenseite des Flansches 42 und der
Außenseite des Elementes 39a eingeklemmt ist; diese Dichtung 43 ermöglicht in einem bestimmten Umfang in
Längsrichtung eine Relativbewegung zwischen den Elementen 39a und 396.
In Fig. 12 ist eine Spulenanordnung dargestellt, die
aus zwei Teilspulen zusammengesetzt ist, wobei jede Teilspule drei Spulenwindungen 44 — 46 bzw. 47 — 49
umfaßt. Jede Spulenwindung ist in ein und derselben Eben angeordnet und kann in der in Fig. 10
dargestellten Weise in Einzelelemente aufgeteilt sein. Zwischen den gegeneinandarstoßenden Enden jeder
Spulenwindung und zwischen benachbarten Spulenwindungen liegen Dichtungen 50. Der Strom wird den
Teilspulen 44-46 bzw. 47-49 durch Leitungen 51 zugeführt. Der Strom wird von den Leitungen 51 über
Kontakte 52 — 55 abgegriffen: der Stromfluß zwischen benachbarten Spulenwindungen jeder Teilspule erfolgt
über Kontakte 56-59. Gemäß Fig. 12 haben die Teilspulen 44-46 bzw. 47-49 unterschiedliche Windungs-
bzw. Wicklungsrichtungen und benachbarte Enden der Teilspulen sind im Prinzip an den gleichen
Punkt des Stromzuführungssystems angeschlossen, wodurch die Spannung zwischen den Spulenwindungen
46 und 47 ständig gleich Null ist
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an Hand der folgenden Beispiele näher
beschrieben.
Ein Wirbeibett mit einem Durchmesser von 7 m und einer Höhe von etwa 5 m wurde in einem Reaktor der in
F i g. 1 dargestellten Art auf einer Temperatur von etwa
1200ÖC gehalten. Zum Aufbau des Wirbelbettes, das aus
Koks mit einer mittleren Korngröße von 0,15 mm bestand, wurden durch den Boden des Reaktors etwa
20 000 Nm3/h eines leicht reduzierenden Gases zugeführt,
dessen Temperatur etwa der Bettemperatur entsprach. Er Jöl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa
85 Gew.-%, einem Wasserstoffgehalt von etwa 10Gew.-% und einem Schwefelgehalt von etwa
3 Gew.-% wurden dem Bett in einer Menge von etwa 115 t je 24 h zugeführt. Koks in einer Menge von etwa
40 t je 24 h mit einem Schwefelgehalt von 0,1 Gew.-% wurde von der Oberseite des Bettes gezogen, wobei
gleichzeitig etwa 128OOONmJ eines Gases erhalten
wurden, das aus gasförmigen Krackprodukten bestand, die etwa 25 Vol.-% Wasserstoff, Rest niedriger Kohlenwasserstoffe,
enthielten; das erhaltene Gas wurde zusammen mit dem das Wirbelbett aufbauende Gas aus
dem Reaktor ausgeblasen. Ein Teil dieses Gases wurde tcilxi
rkrannl ttrxri ι
um das leicht reduzierende Gas zu bilden, welches für die Durchführung des Wirbelbettverfahrens benötigt
wurde. Dem Bett wurde elektroinduktive Energie in einer Menge von 120 MWh je 24 h mit einer Frequenz
von 2600 Hz mittels einer Induktionsspule zugeführt, die den Reaktor in Höhe des Wirbelbettes umgab und einen
Durchmesser von 7,5 m und eine Höhe von 4,5 m hatte. Diese Energie reicht aus, um die erforderliche
Bettemperatur aufrechtzuerhalten und Erdölkoks zu bilden.
In einem Reaktor der in Fig. 2 dargestellten Art wurde ein Wirbelbett mit einem Durchmesser von 2,0 m
und einer Höhe von 1,8 m aufgebaut und auf einer Temperatur von etwa 1100° C gehalten. Zum Aufbau des
Wirbelbettes, das aus Kokspartikeln mit einer mittleren Korngröße von 0,4 mm bestand wurden dem Reaktor
durch den Boden etwa 4500 NmVh eines Gases zugeführt, das aus einem Eisenschwammofen stammte
und eine Zusammensetzung von etwa 40 Vol.-°/o CO2
und 10Vol.-% H2O, Rest im wesentlichen H2 und CO,
hatte. Aus dem Reaktor wurden etwa 190 000Nm3 je 24 h eines Gases ausgeblasen, das eine Zusammensetzung
von 52 Vol.-% H2 und 45 Vol.-% CO, Rest im
wesentlichen CO2 und H2O, hatte. Um den Koks zu
ersetzen, der aufgrund des Reduktionseffektes des das Wirbelbett aufbauenden Gases verbraucht wurde,
wurden dem Bett 36 t je 24 h eines Öles der Art Bunker C zugeführt. Dem Bett wurden mittels einer Induktionsspule,
die den Reaktor in Höhe des Wirbelbettes umgab und einen Durchmesser von 2,5 m und eine Höhe von
1,5 m hatte, Energie in einer Menge von 137 MWh je 24 h induktiv mit einer Frequenz von 36,5 kHz
zugeführt Diese Energiemenge reichte aus, um die erforderliche Bettemperatur aufrechtzuerhalten, das
das Wirbelbett aufbauende Gas zu reduzieren und aus dem öl Petroleumkoks zu bilden.
In einem Reaktor der in Fig.3 dargestellten Art
wurde ein Wirbelbett mit einem Durchmesser vcn 7,0 m und einer Höhe von etwa 5,ö m und einer Temperatur
von etwa 1050° C aufgebaut Zur Bildung de* Wirbelbettes,
das aus Koksteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,15 mm bestand, wurden dem Reaktor durch
den Boden etwa 20 000 NmVh eines Inertgases mit einer Temperatur von 900° C zugeführt. Eisenoxyd, das
65 Gew.-% Fe enthielt und eine mittlere Teilchengröße
-, aufwies, die im wesentlichen gleich der Teilchengröße des Koks war, wurde kontinuierlich dem unteren Teil
des Bettes in einer Menge von etwa 150 t je 24 h zusammen mit Kohlenstaub in einer Menge von 35 t je
24 h zugeführt, wobei dieser Kohlenstaub etwa
ίο 30 Gew.-% leicht flüchtige Bestandteile und 12 Gew.-%
Asche enthielt. Vom Boden bzw. Grund des Bettes wurden Eisenschwamm in einer Menge von etwa 100 t
je 24 h und einem Eisengesamtgehalt von 97 Gew.-% und einem Kohlenstoffgehalt von etwa 1 Gew.-°/n
r, zusammen mit 4 t je 24 h agglomerierter Asche abgezogen. Aus dem Reaktor wurden 23 000NrrVh
eines Gases ausgeblasen, das etwa 4 Vol.-% CO enthielt. Dem Bett wurde elektroinduktiv mittels einer Indukiions5nu!e
iljs de" Rssktor im Bereich des ^'irb**!^"!''1!:
in umgab und einen Durchmesser von 7,5 m und eine Höhe
von 4,5 m hatte, Energie in einer Menge von 110 MWh je 24 h und mit einer Frequenz von 2600 Hz zugeführt.
Diese Energiemenge reicht aus, um die erforderliche Bettemperatur aufrechtzuerhalten und die notwendige
2") Energie für die Verkokungs- und Reduktionsreaktionen
/u liefern. Die dem Bett zugeführte Kohenstaubmenge reichte aus, um den während des Reduktionsvorganges
verbrauchten Koks zu ersetzen.
Beispi e I 4
Bei einem Reduktionsprozeß der im Beispiel 3 beschriebenen Art wurde ein Reaktor gemäß Fig.4
verwendet. Das das Wirbelbett verlassende Gas wurde in der Reaktorkammer über dem Wirbelbett durch
Zufuhr von Luft verbrannt. Die benötigte elektrische Energiemenge ließ sich damit auf 99 MWh je 24 h
absenken.
Für einen Reduktionsprozeß der in Beispiel 3 beschriebenen Art wurde ein Reaktor gemäß Fig.5
verwendet, wobei die Wirbelbettemperatur etwa bei 1400° C lag. Vom Boden des Reaktors wurde geschmolzenes
Roheisen in einer Menge von 98 t je 24 h und einem Kohlenstoffgehalt von etwa 2Gew.-% zusammen
mit einer geschmolzenen Schlacke in einer Menge von etwa 5 t je 24 h abgezogen. Das das Wirbelbett
verlassende Gas wurde in der in Beispiel 4 beschriebenen Weise verbrannt. Die für die Durchführung des
Prozesses benötigte elektrische Energiemenge betrug 120 MWh je 24 h.
Für die Herstellung von Äthylen durch Kracken von Kohlenwasserstoffen wurde in Wirbelbett mit einem
Durchmesser von 2,0 m und einer Höhe von etwa 1,8 m in einem Reaktor der in Fig.2 dargestellten Art
ausgebaut Die Temperatur des Wirbelbettes betrug etwa 12000C. Zum Aufbau des Wirbelbettes, das im
■S5 wesentlichen aus mit Silber beschichten Nickelgranulaten
mit einer mittleren Teilchengröße von 0,10 mm bestand, wurden durch den Boden des Reaktors etwa
4000 NmVh Kohlenwasserstoffe mit einer Temperatur
11 12
'on etwa 9000C zugeführt, pie Kohlenwasserstoffe Wirbelbettes umgab und einen Durchmesser von 2,5 m
lestanden hautpsächlich aus Äthan. Aus dem Reaktor und eine Höhe von 1,5 m hatte, elektroinduktiv eine
vurden etwa 180000Nm' je 24 h eines Gases ausgebla- Energiemenge von HOMWh je 24 h und mit einer
en, das aus gasförmigen Krackprodukten bestsrd, die Frequenz von 5000 Hz zugeführt. Die Energiemenge
itwa 47 Vol.-% Äthylen und 47 Vol.-% Wasserstoff r, war ausreichend, um die erforderliche BeHemperatur
inthielten. Dem Wirbelbett wurde mittels einer aufrechtzuerhalten und die für die Durchführung der
nduktionsspule, die den Reaktor in Höhe des Krackreaktion benötigte Energie zu liefern.
Hier/ii 4 BUiIt Zcichiniimcii
Claims (1)
1. Verfahren zur elektroinduktiven Erwärmung von aus Festkörperteilchen aufgebauten Wirbelbetten, die einen größeren spezifischen Widerstand ρ
als Metall haben, in einer Reaktorkammer, bei dem die unmittelbare elektroinduktive Erwärmung der
Festkörperteilchen innerhalb des Wirbelbettes durch mindestens eine Induktionsspule erfolgt, die
von Wechselstrom durchflossen wird und außerhalb der Reaktorkammer angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einem Wirbelbett mit einem spezifischen Widerstand zwischen 10~'
und 10 Ohm · m ein Wechselstrom benutzt wird, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der kleinsten
Querabmessung c/und dem spezifischen Widerstand ρ des Wirbelbettes so ausgewählt ist, daß zwischen
dieser kleinsten Querabmessung J und der Eindringtiefe δ des elektromagnetischen Feldes ein zwischen
den Werten 0,2 und 1,5 liegendes Verhältnis erhalten wird, das durch die Gleichung
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