DE2455098A1

DE2455098A1 - Verfahren zur durchfuehrung von reaktionen mit gasen in der anwesenheit von festen katalysatorpartikeln, wobei der katalysator getrennt kontinuierlich regeneriert wird

Info

Publication number: DE2455098A1
Application number: DE19742455098
Authority: DE
Inventors: Albert Mills Soldate
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-11-30
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1487336A; FR2329338A1; US3915890A; FR2329338B1; JPS5086482A; DE2455098B2; DE2455098C3

Description

ALBERT MILLS SOLDATE, 276 Hacienda Drive, Arcadia, Kalifornien 91006 (V.St.A.)

Verfahren zur Durchführung von Reaktionen mit Gasen in der Anwesenheit von festen Katalysatorpartikeln, wobei der Katalysator getrennt kontinuierlich regeneriert wird

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, mit welchem Vibrationsenergie erzeugt werden kann und die erzeugte Vibrationsenergie in einem Material- oder Teilchen-Transportsystem nutzbringend eingesetzt werden kann.

Es gibt verschiedene industrielle Anwendungen mechanischer Vibratoren beispielsweise in der Form von Trennvorrichtungen für siebbare Stoffe, Schleifeinrichtungen und Nacharbeitwerke zum Entgraten von Metallen. Ein typischer mechanischer Vibrator, an den im Rahmen der Erfindung zu denken ist, ist die Nacharbeitvorrichtung der FM Reihe, hergestellt von der Firma SWECO, Inc., Los Angeles, Kalifornien. Ein solcher mechanischer Vibrator enthält ein ringförmiges Gefäß, in welchem die nachzuarbeitenden Teile sowie geeignetes Schieifgut vorhanden sind. Ein

HZ/ei

509825/0919

Elektromotor mit doppelseitiger Anschlußmoglichkeit ist am unteren Ende einer Zylindersäule befestigt und geeichte Gegengewichte sind an beiden Enden der Motorwelle befestigt. Der Motor und das Gefäß werden von Druckfedern gehalten und die von der Motorausgangswelle entwickelteWinkelgeschwindigkeit führt zu einem Vibrieren des Gefäßes und der in diesem enthaltenen Materialien.

Die vorliegende Erfindung gründet sich zum Teil auf die Feststellung, daß der Antriebsmotor für den oben beschriebenen mechanischen Vibrator in den aktiven oder vibrierenden Teil des Systems integriert ist, was dazu führt, daß der Motor sowie seine Lager während der Verwendung des Vibrators in erheblichem Umfang selbst Vibrationen ausgesetzt werden. Folglich schlagen die Motorlager in relativ kurzer Zeitspanne aus. Da die Lager Teile des Motors sind, sind sie normalerweise nur sehr schwer zu ersetzen, was zu einer beträchtlichen Kostensteigerung bei der Wartung des Vibrators führt. Außerdem müssen die Empfehlungen des Motorlieferanten berücksichtigt werden, wenn Lager ausgetauscht werden sollen.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten schafft die Erfindung einen mechanischen Vibrator, dessen Antriebs-Motor von dem aktiven oder vibrierenden Teil der Vibratoranordnung getrennt ist. Der Vibrator umfaßt im wesentlichen einen Vibratorkörper sowie eine an dem Vibratorkörper befestigte Welle, die unabhängig vom Vibratorkörper um ihre Achse drehbar ist, wobei Abstand aufweisende Gegengewichte an gegenüberliegenden Enden der Welle angebracht sind und mit dieser drehen, und wobei ferner der Vibratorkörper elastisch befestigt ist. Ein entfernt zum Vibratorkörper angeordneter Antriebsmotor arbeitet auf die Welle über einen langgestreckten Torsionsstab, der sowohl torsionmäßige wie

509825/0919

2455038

seitliche Flexibilität besitzt. Der Antriebsmotor dreht die Welle und die Gegengewichte, um den Vibratorkörper zu vibrieren. Der Torsionsstab besitzt genügend seitliche Flexibilität und hinreichend geringe Masse, um
eine im wesentlichen unbeeinträchtigte Vibration des
Vibratorkörpers zu ermöglichen und gleichzeitig zu
verhindern, daß nennenswerte Vibrationsenergie auf den Antriebsmotor und seine Lager übertragen wird.

Da der Antriebsmotor vom vibrierenden Teil des
Systems getrennt ist, können die Welle an dem Vibratorkörper festlegenden Lager ausgetauscht werden, ohne daß der Antriebsmotor gestört wird. Da die Lager bei Bedarf jederzeit auswechselbar sind, können verschiedene Typen an Vibratorwellenlager verwendet werden, wobei die Wahl vom speziellen Verwendung.zweck des Vibrators abhängen
kann. Bevorzugte Verwendungen der Vibratoranordnung
würden sich anbieten in Form einer Abtrennvorrichtung, eines Schi elf werkes oder eines Nacharbeitwerkes. Die
Abtrennung des Antriebsmotors von dem vibrierenden Teil des Systems erweist sich auch bei Explosionen oder bei Feuer vorteilhaft, was bei den Materialien, die bei den genannten Anwendungsfällen zu behandeln sind, keine ungewöhnlichen Ereignisse sind.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist auf dem
Vibratorkörper eine Trägervorrichtung befestigt, welche ein geeignetes Medium enthalten kann, das die von dem
Vibrator erzeugte Vibrations energie aufnehmen kann. Der Vibrator führt Vibrationen solch großer Amplituden aus, daß Feststoffpartikel in der Trägervorrichtung zum
fluidisierten Durchlauf durch dieselbe veranlaßt werden, Der erfindungsgemäße Vibrator kann daher als Materialfördervorrichtung eingesetzt werden, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Vibrator-

B0 9825/0919

körper eine geschlossene Reaktionskammer bildet, die einen Gasstrom aufnehmen kann, der mit einem geeigneten Katalysator von Partikelform in der Reaktionskammer in Kontakt gebracht werden soll, um gewünschte Reaktionen zwischen den chemischen Bestandteilen der Gasphase zu unterstützen. Die der Reaktionskammer zugeführte Vibrationsenergie läßt die Katalysatorpartikel kontinuierlich fluidisiert von der Reaktionskammer ausgehend durch eine geeignete Katalysator-Regenerationskammer und dann zurück zur Reaktionskammer fließen.

Die vorstehend genannten sowie weitere Aspekte der Erfindung werden besonders deutlich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung, bei der auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt, teilweise im Querschnitt, durch einen mechanischen Vibrator gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung der Phasenwinkelbeziehung zwischen einem Paar von Gegengewichten in dem Vibrator aus Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Teil-Querschnitt, aus dem die in fluidisiertem Zustand durch das Rohr des Vibrators gemäß Fig. 1 fließenden Partikel erkennbar sind;

Fig. 4 einen schematischen Aufriß, teilweise im Querschnitt, zur Erläuterung einer bevorzugten Verwendungsart des Vibrators gemäß Fig. 1 in einem Nacharbeit- oder Mahlwerk;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der

Verwendungsart des Vibrators aus Fig. l in einem System zur Regenerierung eines Katalysators; und

509825/0919

Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf das teilweise weggebrochene Katalysator- · Regenerationssystem gemäß Fig. 5, bei dem Katalysatorpartikel in fluidisiertem Zustand zirkulieren.

Fig. 1 zeigt schematisch einen mechanischen Vibrator 10 mit einem Vibratorkörper 12, der von mehreren, radialen .Abstand aufweisenden Spiralfedern 14 gehalten wird. Es erweist sich als zweckmäßig, wenn der Vibratorkörper 12 von drei gleich weit auseinanderstehenden Federn gehalten wird.Eine asymmetrisch belastete, sich vertikal erstreckende, feste Welle 16 wird von dem Vibratorkörper getragen. Das obere Ende und das untere Ende der Welle tragen vertikalen Abstand aufweisende Gegengewichte 18, 20, die mit der Welle in entsprechenden Horizontalebenen drehen können. Die Welle 16 ist an den Vibratorkörper 12 durch zwei vertikalen. Abstard aufweisende Antifriktions-Lager 22 befestigt, die Wälzlager sein können und eine Drehung der Welle 16 mit den Gegengewichten unabhängig vom Vibratorkörper erlauben.

Ein Elektromotor 24 mit variabler Abtriebsgeschwindigkeit treibt die mit zwei Enden versehene Motorausgangswelle 26, die ihrerseits mit derWelle 16 über eine sich vertikal erstreckende, tubusförmige, langgestreckte Torsionswelle 28 verbunden ist. Die rorsionswelle ist vorteilhafterweise tubusförmig gehalten und besitzt einen relativ kleinen Durchmesser und besitzt demzufolge ein relativ geringes Gewicht, weist außerdem torsionsmäßige und seitliche Flexibilität und geeignete Torsionsfestigkeit auf, um Drehmomente der erforderlichen Größe übertragen zu können. Beispielsweise kann die Torsionswelle für viele Anwendungsfälle aus einem dünnen Plastikrohr bestehen, das ungefähr 3/32 Zoll (2,4 mm) Durchmesser besitzt.

509825/0919

Während der Verwendung des Vibrators IO treibt der Motor 24 die Torsionswelle 28, die ihrerseits die Welle 16 um ihre Achse mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Drehung versetzt. Dadurch wird der federgelagerte Körper 12 und die Welle 16 als Einheit zum Vibrieren veranlaßt, wobei die Vibration aus kleinen periodischen Bewegungen besteht, die entweder aus Translationen in einer horizontalen Ebene oder einem Kippen der vertikalen Achse oder einer Kombination beider' Bewegungen besteht, was von der Masse der rotierenden Gegengewichte und deren Winkelverschiebung abhängt (vgl. Winkel cu aus Fig. .2). Die Masse der Gegengewichte ist klein im Vergleich zu derjenigen des federgelagerten Körpers. Weiter ist die Verbindung 30 zwischen dem Torsionsrohr und der Welle 16 etwas locker, so daß die winkelmäßige und/oder translatorische Verschiebung des federgelagerten Körpers und der drehenden "Welle durch das Vorhandensein der Torsionswelle nicht merkbar beeinträchtigt wird.

Eine bevorzugte Verwendung des Vibrators 10 besteht in dem Vibrations-Nachbehandeln oder dem Schleifwerk 32, das Fig. 4 zeigt. Ein derartiges Werk umfaßt einen ringförmigen , oben offenen Topf 34, der von einem Vibratorkörper 112 getragen wird, der seinerseits auf einer durch Spiralfedern 114 elastisch befestigten Platte 36 befestigt ist. Die Nachbehandlung und das Schleifen findet auf an sich bekannte Weise durch Ingangsetzen des Antriebsmotors " 124 statt, der die Vibratorwelle 116 und Gegengewichte 118, 120 dreht, wobei Vibrationen geeigneter Frequenz auf den Topf 34 und das in ihm enthaltene Material einwirken können.

Der Vorteil des in Fig. 4 dargestellten Systems besteht darin, daß der Motor 124 nicht in den vibrierenden Teil

509825/0919

des Systems integriert ist. Der größte Anteil der von dem Vibrator und dem Topf entwickelten Vibrationsenergie wird von der flexiblen Torsionswelle 128 absorbiert und daher nicht auf den Motor übertragen. Daher wird die Lebensdauer des Motors ganz beträchtlich erhöht gegenüber derjenigen bei bekannten Vibratoren, bei denen der Motor direkt in den vibrierenden Teil des Systems integriert ist. Wenn die Wellenlager 122 ersetzt werden müssen, kann dieses Austauschen ohne Beeinträchtigung des Motors in einfacher Weise ausgeführt werden. Außerdem können die Lager 122 jederzei.t auch bei Bedarf dann ausgewechselt werden, wenn eine spezielle Anwendung der Vibratoranordnung dies wünschenswert erscheinen lassen sollte.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Modell wurde ein Vibrator gebaut..und die Bewegung verschiedener Objekte beobachtet, die sich aus 4er Einwirkung von Vibrationsenergie, stammend von dem Vibrator 10, ergibt. In einer Reihe von Experimenten wurde eine zusammenhängende Rohrleitung 38 von kreisförmigem Querschnitt um den Boden des Vibratorkörpers 12 herum gelegt und von diesem getragen. Es wurden die Beobachtungen der Bewegungen ver- · schiedener Feststoffpartikel gemacht, die in das Innere der Leitung eingegeben wurden, wobei die Bewegungen durch die Vibrationsbewegung des Vibratorkörpers 12 induziert wurden. Es wurde beobachtet, daß sich die Partikel in systematischer Weise in der Leitung bewegten. Es wurden als Partikel Stahlkügelchen, Bleikügelchen, granulierter Zucker, Tafelsalz, Mehl und irreguläre Formen von Blei, Kunststoff und Filz verwendet. Es wurde weiter beobachtet, daß die Leitung 38 an einem Ende angehoben werden konnte, so daß sich eine Spirale ergab, wobei die Partikel sich durch die Spirale nach oben, d.h. gegen die Schwerkraft, bewegten.

509825/0919

Bei den mit dem Vibrator 10 ausgeführten Experimenten wurden mehrere unterscheidbare Arten des Materialtransportes beobachtet, und zwar:

(1) In Abhängigkeit von relativ kleinen Amplituden horizontaler Bewegung und winkelmäßiger Verschiebung des Vibrationskörpers 12 und relativ kleiner Winkelgeschwindigkeiten der Welle 16 neigen Partikel außer Kugeln dazu, auf der Bodenfläche der Leitung 38 entlangzurutschen. Es wurde eine deutliche Abhängigkeit von der Phasenbeziehung zwischen den beiden Gegengewichten festgestellt. Beispielsweise wenn der in Fig. 2 dargestellte Winkel d von positiven Werten (oberes Gewicht geht bei einer Drehrichtung im Gegensinn des Uhrzeigers dem unteren Gewicht vor (Fig. 2) ) in negative Werte (das obere Gewicht folgt dem unteren Gewicht nach bei einer Drehrichtung im Gegensinn des Uhrzeigers) sich veränderte, wurde die Richtung des Materialtransportes umgekehrt.

(2) Bei größeren Vibrationsamplituden und größeren Winkelgeschwindigkeiten Partikel mit Ausnahme von Kugeln bewegten sich durch die Leitung in einem fluidisierten Zustand. Das bedeutet, daß bei einem beliebigen Querschnitt der Leitung die sich bewegenden Partikel 39 in statistischer Verteilung schwebten, wie das Fig. 3 andeuten soll. Die Partikelbewegung sprach auch auf Phasenbeziehungen (Winkel cc'in Fig. 2) zwischen den Gegengewichten an, weil eine Umkehr des Winkels zwischen den Gegengewichten auch zu einer Umkehr der fluidisierten Strömung führte. Weiter schien die Art der fluidisierten Strömung relativ unabhängig von der Partikelkonzentration bis zu einem Punkt zu sein, bei dem die Partikel den Rohrquerschnitt im wesentlichen ausfüllten.

509825/091 9

(3) Bei noch größeren Werten der Vibrationsamplitude und Winkelgeschwindigkeit, wobei jedoch eine Verschie- ' bung des Vibrationskörpers in vertikaler Richtung in den vorherigen Grenzen gehalten wurde, wurde erneut eine fluidisierte Strömung für Partikel beobachtet, die keine Kugeln waren..In diesem Fall waren die Geschwindigkeiten der Partikel relativ groß, jedoch unabhängig von den Winkelbeziehung zwischen den Gegengewichten. Das heißt, eine Veränderung der Werte des Winkels CC in Fig. 2 vom Positiven zum Negativen führte zu keiner Veränderung der Strömungsrichtung, die stets in einer Richtung aufenthalten blieb, d.h. in der Richtung der Drehung der Welle 16.

(4) Bei mittleren Werten der Vibrationsamplitude und WinkelgeschwindigkeLt wurden Kugeln durch die Leitung 38 in wirbelnder Weise gefördert. Das heißt die Kugeln rollten auf der Innenseite der Leitung in■spiralförmigen Bahnen in Richtung der tangentkeilen Mittellinie der Leitung. Die Richtung der Kugeltranslation war wieder die gleiche, einerlei ob der Winkel at aus Fig. 2 positive oder negative Werte annahm, wohingegen die Translationsgeschwindigkeit auf Null absank, wenn das obere und das untere Gegengewicht aufeinander ausgerichtet waren, d.h. der Winkel CC 180° betrug.

Der Transport fluidisierter Partikel, ermöglicht durch den Vibrator 10, kann in einem Gas-Feststoff-Reaktor mit fluidisiertem Bett verwendet werden. Beispielsweise wird ein Wirbelbettreaktor.(= Reaktor mit fluidisiertem Bett) dazu verwendet, verschiedenartige physikalische oder chemische Reaktionen auszuführen, indem ein sonst statisches Bett von Feststoffpartikeln in einem Gasstrom suspendiert wird. Der Vibrator 10 schafft eine neue Art

509825/091 9

eines Wirbelbettreaktors, bei welchem der fluidisierte Strom von Partikeln gegen einen Luftstrom (wie auch gegen Schwerkraft) in Strömung versetzt werden kann. Beispielsweise wurde bei den Beobachtungen festgestellt, daß die Tafelsalzpartikel dazu angeregt werden konnten, in fluidisierter Form gegen Luftströmungen anzuströmen, die eine Strömungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des Gasstromes in einem leeren Rohr) von wenigstens 200 cm pro Sekunde besaßen. Weiter wurde das Durchflußexperiment mit einem Plastikrohr ausgeführt, das nahezu vollständig mit Salz gefüllt war, d.h. seine Querschnittsfläche war nahezu voll .gepackt, was Partikelkonzentrationen entspricht, die norme 1 erweise in handelsüblichen Wirbelbettreaktoren angetroffen werden. Die Vibratoranordnung 10 kann daher in einigen kleineren chemischen Behandlungsoperationen Anwendung finden, bei welchen partikuliertes Feststoffmaterial mit einem Gasstrom in Reaktion gebracht werden soll,der in Gegenrichtung zu dem fluidisierten Strom der Partikel strömt.

Figuren 5 und 6 zeigen eine bevorzugte Verwendung der Materialtransporteigenschaften des Vibrators 10 in einem Katalysereaktor 40 für eine Gas/Feststoffphase, in welchem trockene Feststoff-Katalysatorpartikel in fluidisierter Form kontinuierlich von einer Reaktionskammer zu einer Katalysator-Regenerationskainmer und zurück umlaufen. Der Katalyse-Reaktor weist eine Reaktionskammer 41 auf, in welcher eine Reaktion zwischen Gaskomponenten stattfindet, die durch einen oder mehrere partikulierten Feststoff (e) katalysiert wird. Das in den Figur.en 5 und 6 dargestellte System wird jetzt im Zusammenhang mit einen einstufigen Reaktor-Regenerator zur Behandlung von Automobilabgasen beschrieben, obgleich natürlich das System auch in anderen Gasphasen mit feststoffkatalysierten Reaktionen verwendet werden kann, wobei ein partikulierter Katalysator konti-

5 0 9825/0919

nuierllch regeneriert und/oder gekühlt wird.

Die Reaktionskammer 41 ist tubusförmig und an einer festen Platte 42 befestigt, die ihrerseits von drei radial Abstand aufweisenden Spiralfedern 214 gehalten wird, welche an entsprechenden, festen Halterungen 44 angehängt sind. Die Platte 42 hält die tubusförmige Reaktionskammer 41 im wesentlichen horizontal. Die Platte 42 trägt weiter eine langgestreckte, tubusförmige Regenerationskammer 46 für den Katalysator in im wesentlichen horizontaler Richtung und parallel zur Reaktionskammer 41. Ein Zuführrohr 48 wird Von der Platte 42 ebenfalls im wesentlichen horizontal gehalten und die Enden des Zuführrohres öffnen sich in entsprechende Vorderabschnitte der Reaktionskammer sowie der Regenerationskammer. In ähnlicher'Weise ist eine längliche Rückkehrröhre 50 horizontal an -die Platte angesetzt und erstreck t sich zwischen den Endabschnitten der Regenerationskammer und der Reaktionskammer. Wie man am besten aus Fig. erkennt, befindet sich in der Reaktionskammer ein geeigneter p'artikulierter Feststoff katalysator 52.

Ein Gaseinlaßrohr 54 öffnet sich in einen vorderen Abschnitt der Reaktionskammer 41. Ein Bleirohr 56, das vom ■ Motor herkommt, ist mit dem Einlaß 54 über eine flexible Schlauchverbindung 57 verbunden. Ein langes Gasauslaßrohr 58 öffnet sich in einen Endabschnitt der Reaktionskammer 41. Eine flexible Schlauchverbindung 59 verbindet das Gasauslaßrohr 58 mit dem restlichen Teil des Systems, das nachfolgend beschrieben wird. Die flexiblen Schlauchverbindungen bestehen aus Material, das hohe Temperaturen aushalten kann und das hinreichend flexibel ist, um eine dreidimensionale Bewegung der federgehaltenen Masse relativ zu den festen Teilen des Systems (wie Aufhängung

509 82 57 0919

und Bleirohr 56) zu ermöglichen.

Während der Verwendung des Reaktors strömen Abgase aus dem Bleirohr 56 in den Einlaß 54, dann durch die Reaktionskammer 41, in welcher gewisse Komponenten des Gases in der Anwesenheit des Katalysators 52 reagieren. Die nach der Kontaktierung mit dem Katalysator verbleibenden Gase verlassen die Reaktionskammer durch das Ausgangsrohr 58. Im Betrieb wird die federgelagerte Masse mit hinreichend großer Amplitude und geeigneter Freguenz in Vibrationen versetzt, so daß auf den Katalysator eine fluidisierte Bewegung ausgeübt wird. Die fluidisierten Katalysatorpartikel laufen in einem zusammehängenden UmIaufpfad von der Reaktionskammer durch die Regenerationskammer und zurück zur Reaktionskammerw Die.:;Vibra-.; tionsbewegung der federaufgehängten Masse wird durch eine Vibratoranordnung erzeugt, die imwwesentlichen in Fig. 1 dargestellt ist. Die Vibratoranordnung weist eine langgestreckte, feste Welle 216 (ähnlich zur Welle 16) auf, die an der Basis 42 über Antifriktionslager 222 befestigt ist. Obere und untere Gegengewichte 218 bzw. 220 werden von der Welle 216 getragen und rotieren mit dieser unabhängig von der Platte 42. Ein Antriebsmotor 224 ist an eine sich vertikal erstreckende Torsionswelle 228 angeschlossen, die von gleicher Bauart wie die oben erwähnte Welle 28 ist. Die Torsionswelle steht mit der festen Welle 216 in der im Zusammenhang mit Fig. beschriebenen Weise in Verbindung, so daß der Antriebsmotor die Welle 216 dreht und die federaufgehängte Masse vibriert.

Die Massen der Gegengewichte 218, 220 und der Phasenwinkel öl zwischen den Gegengewichten sind so eingestellt, daß relativ große Vibrationsamplituden mit geeigneter Phasenbeziehung zwischen der translatorischen und winkelmäßigen

50 9 825/0919

2A55098

Komponente auf die federnd aufgehängte Masse ausgeübt werden, die ihrerseits den kontinuierlichen, umlaufenden Strom des Katalysators in fluidisiertem Zustand erzeugt. Wie am besten aus Fig. 6 zu erkennen ist, fließt der Katalysator in Uhrzeigerrichtung von der Reaktionskammer 41 durch das Zuführrohr 48, durch die Regenerationskammer 46 und zurück zur Rückkehrleitung 50 und der Reaktionskammer. Vorzugsweise ist ein tubusförmiger Heizer 60 in der Regenerationskammer angeordnet, so daß die umlaufenden Katalysatorpartikel durch diesen Ofen laufen können. Zwei elektrische Leitungen 62 versorgen diesen Rohrofen mit elektrischer Energie. Eine für die Behandlung durch den Katalysator vorgesehene Qasströmung (beispielsweise durch Abbrennen von Kohlenstoff, indem Luft durch die Regenerationskammer streicht) kann ein offenes Ende 46a der Regenerationskammer erreichen und durch sie eintreten. Gasförmige Produkte aus der Katalysatorbehandlung.verlassen die Regenerationskammer am offenen Ende 46b. Das Verfahren zur Verwendung einer Hochtemperaturbehandlung zur Regenerierung des Katalysators in der Kammer 46 wird hier nur beispielshaft erläutert, weil es an sich selbstverständlich ist, daß andere, geeignete Verfahren zur Regenerierung der Feststoff-Katalysatorpartikel verwendet werden können, ohne daß dadurch von der Erfindung abgewichen wird.

Ein Hochtemperatur-Behandlungsverfahren besteht darin, daß der Tubusofen 60 aus dem gleichen Material wie die Katalysatorpartikel besteht und den Ofen auf wesentlich höherer Temperatur als die Katalysatorpartikel zu halten. Im Betrieb treffen die relativ kalten Katalysatorpartikel auf die relativ heiße Oberfläche des Tubusofens und werden dann von der Oberfläche freigegeben. Das Material und die Temperaturen werden so gesteuert, daß die wechselseitige Adhäsion der beiden sich berührenden Oberflächen größer

509825/0919

ist als die innere Festigkeit des einen oder anderen Materials. Vorzugsweise sind die Partikel fest statt porös. Wenn die Partikel durch, den Ofen laufen, schlagen einige Partikel auf die Oberfläche des Ofens und trennen sich dann an·einer neuen Trennungslinie beim Freigeben, wodurch (in mikroskopischem Maßstab) eine neue Materialschicht von der Ofenoberfläche einen Teil der Außenfläche des freigegebenen Partikels bedeckt. Folglich wird bei jeder'Kollision etwas frische Katalysator-Oberfläche geschaffen. Vollständige Regeneration der Partikel kann durch dieses Verfahren durch kontinuierlichen Umlauf der Partikel durch den Ofen erzielt werden.

Man bemerke, daß die gesonderte Regenerationskammer auch zum Abkühlen oder Aufheizen der festen Katalysatorpartikel verwendet werden kann, um auf diese Weise eine Steuerung der Temperatur in der Reaktionskammer zu haben. Außerdem können zwei oder mehrere Regenerationskreise (Aufheizen oder Abkühlen oder andere Behandlungen) in Kombination mit einer Reaktionskammer vorgesehen sein. Die Zirkulationsraten in jedem der zwei oder mehreren Regenerationskreise kann unabhängig gesteuert werden und im Fall einer Temperatureteuerschaltung könnten die Zirkulationsraten durch eine Rückkopplung mit einem Temperaturfühler geregelt werden, der entweder in der Reaktionskammer oder in dem Gasstrom vorgesehen sein kann, welcher die Reaktionskammer verläßt oder in diese eintritt.

Vorteilhafterweise läuft die Strömung des Abgases durch die Reaktionskammer 41 im Gegenstrom zur Strömung des Katalysators durch die Reaktionskammer. Diese relative Strömung erzeugt guten Kontakt zwischen dem Abgas und dem Katalysator. Das Volumen des durch das System zirkulierenden Katalysators wird überwacht, so daß die

509825/0919

Zuführleitung 48 und das Rückkehrrohr 50 in voll gepacktem Zustand während des kontinuierlichen Durchlaufs des Katalysators gehalten werden. In diesem voll gepackten Zustand bilden die Katalysatorpartikel eine wirksame Gasdichtung am Auslaß 41a und Einlaß 41b (siehe Fig. 6) der Reaktionskammer, so daß die Gasströmung durch die Reaktionskammer aufrechterhalten und gleichzeitig verhindert wird, daß das Abgas durch das Zuführr'ohr 48 oder Rückkehrrohr 50 zur Regenerationskammer gelangen kann. Der voll gepackte Zustand des Zuführrohrs 48 und des Rückkehrrohres 50 kann durch geeignete Wahl ihrer lichten Weiten (im Verhältnis zu denen der Reaktionskammer und der Regenerationskammer) sichergestellt werden sowie außerdem/oder durch geeignete Positionierung von Öffnungen in dem Zuführrohreinlaß und Rückkehrrohrauslaß.

Der Gas/Feststoff-Katalysereaktor liefert somit eine Einrichtung zum kontinuierlichen Umlaufen eines Katalysators durch eine eigene Regenerationskammer und zurück durch eine Reaktionskammer,· in welcher der Katalysator mit einem Gasstrom reagieren kann, der durch die Reaktionskammer strömt. Die fluidisierte Strömung des Katalysators durch die Reaktionskammer wird durch Einrichtungen erzeugt, die unabhängig vom Gasstrom sind, und der Katalysator fließt in Gegenrichtung zum Gasstrom, was dazu beiträgt, daß ungewöhnlich große Gasstromdurchsatzraten die Katalysatorpartikel aus der Reaktionskammer herausblasen. In einigen Anwendungsfällen mag es jedoch wünschenswert erscheinen, Einrichtungen zum Auffangen ungewöhnlich großer Katalysator-Abgangsmengen aus der Reaktionskammer vorzusehen. Fig. 5 zeigt ein vorteilhaftes Verfahren zum Eirifangen großer Katalysatormengen. Das Verfahren arbeitet mit einem zusätzlichen Zyklonenabscheider 64 für das System. Sämtliche Abgase aus der Reaktionskammer

509825/09 19

laufen durch das Gasauslaßrohr 58 und werden dann durch den Zyklonenabscheider über eine Einlaßleitung 66 geführt, die über eine flexible Schlauchverbindung 59 mit dem Auslaßrohr 58 verbunden ist- Sämtliche nach der Behandlung durch den Katalysator in der Reaktionskammer verbleibenden Gase gelangen in die Atmosphäre aus dem Zyklonenabscheider durch ein Ausgangsrohr.70. Sollten ungewöhnlich große Katalysatorentnahmen, etwa durch Spätzündung des Motors oder durch andere ungewöhnlich große Durchsatzraten des Gases durch die Reaktionskammer auftreten, dann gelangen diese durch das Einlaßrohr 66 in den Kopf des Zyklonenabscheiders und werden dann durch den Abscheider dem Rückholrohr 50 über eine geeignete Parallelleitung 71 zugeführt, die mit dem Boden des Zyklonenabscheiders durch eine flexible Schlauchverbindung 72 verbunden ist.

Im Vergleich zu den Katalysereaktoren mit fester Bettung besitzt der erfindungsgemäße Katalysereaktor den Vorteil einer kontinuierlichen Regeneration des Katalysators, so daß die Lebensdauer des Reaktors beträchtlich verlängert ist. Weiter verhindert der fluidisierte Zustand des Katalysators wesentlich das Auftreten heißer Stellen, die in Reaktoren mit festen Bettungen stets ein Problem sind.

Der erfindungsgemäße Reaktor besitzt außerdem auch Vorteile gegenüber konventionellen Reaktoren mit fluidisierten Bettungen. Beispielsweise hängt der Reaktor gemäß der Erfindung nicht von den Zuständen des Eingangsgasstromes ab, der hier nicht notwendig ist, um die fluidisierte Bewegung der Partikel zu erreichen. Im Gegensatz wäre ein wirksamer Betrieb des Reaktors mit fluidisiertem Bett außerordentlich schwierig, wenn wesentliche Fluktuationen in dem Gasstromdurchsatz durch den Reaktor auftreten

509825/0919

würden, wie das bei Abgasen von Automobilen während deren normalem Betrieb auftritt. Das heißt, der Reaktor' gemäß der Erfindung ist besonders geeignet für Anwendungs— fälle von der Art der Behandlung von Abgasen von Automobilen, bei denen wesentliche Schwankungen in der Gasdurchsatzrate durch den Reaktor auftreten. Das heißt, während des Normalbetriebs eines Kraftfahrzeuges laufen Abgase durch die Reaktionskammer mit verschiedenen Durchflußraten, jedoch haben diese unterschiedlichen Gasflußdurchsatzraten keinen Einfluß auf den fluidisierten Zustand der Katalysatorpartikel, die eben diesen fluidisierten Zustand unabhängig von der Gasströmung erhalten. Somit kann der Reaktor gemäß der Erfindung verschiedene Unterdrucke in der Gasflußdurchsatzrate durch den Reaktor aufnehmen, ohne daß wesentliche Unterbrechungen in dem zirkulierenden Strom des Katalysatormaterials zu und von der Regenerationskammer auftreten, oder ohne daß wesentliche Mengen an Katalysator an die Umgebung abgegeben werden. . .

Insgesamt wurde ein System zur Erzeugung von Vibrationsenergie von Feststoffpartikeln beschrieben, das einen elastisch befestigten Vibratorkörper und zwei Gegengewichte aufweist, die an gegenüberliegenden Enden einer vertikalen Welle befestigt sind, die zwar an dem Vibratorkörper angebracht ist,jedoch mit den Gegengewichten unabhängig von diesen drehen kann. Ein Antriebsmotor für die Vertikalwelle dreht diese um ihre Achse, so daß die Gegengewichte gedreht werden und dadurch eine Vibrationsbewegung von relativ großer Amplitude auf den Vibratorkörper ausgeübt wird. Eine geschlossene Leitung auf dem Vibratorkörper enthält Feststoffpartikai, die in fluidisiertem Zustand längs eines linearen Pfades durch die Leitung in Abhängigkeit von der Vibration des Vibratorkörpers laufen.

509 825/0919

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Vibratorkörper eine Reaktionskammer zur Aufnahme einer Gasströmung auf, in welcher letzterer mit einem geeigneten Katalysator aus Feststoffpartikeln kontaktiert wird, welche in der Reäcbionskammer enthalten sind, wobei gewünschte Reaktionen zwischen den chemischen Komponenten der Gasphase gefördert oder unterstützt oder beschleunigt werden. Die auf die Reaktionskammer ausgeübte Vibrationsenergie läßt die Katalysatorpartikel in einem zusammenhängenden Umlaufweg von der Reaktionskammer durch eine geeignete Katalysir-Regenerationskammer und zurück zur Reaktionskammer laufen. Vorzugsweise ist der Antriebsmotor mit der Welle des Vibratorkörpers über eine sich vertikal erstreckende Torsionswelle oder -Rohr verbunden, die geeignete Festigkeit zur Übertragung des benötigten Drehmoments, jedoch ausreichende torsionsmäßige und laterale Flexibilität besitzt, damit wesentliche Vibrationsenergie vom Vibratorkörper auf den Antriebsmotor mit seinen Lagern nicht übertragen werden kann.

509825/0919

Claims

Ansprüche

[ll Verfahren zur Durchführung von Reaktionen mit Gasen in der Anwesenheit von festen Katalysatorpartikeln, wobei der Katalysator getrennt von der Reaktion kontinuierlich regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorpartikai in eine Reaktionskammer (41) von geschlossenem Querschnitt eingebracht werden, die mit einer Regenerationseinrichtung (46) in Verbindung steht, wobei die Regenerationseinrichtung eine Leitung mit geschlossenem Querschnitt aufweist, die durch einen Einlaß mit der Reaktionskammer (41) in Verbindung steht, in einem mittleren Abschnitt eine Regenerationskammer (46) zur Regenerierung der Katalysatorpartikel sowie einen Auslaßabschnitt aufweist, der sich durch einen Auslaß in die Reaktionskammer an einer vom Einlaß entfernten Stelle öffnet; daß ein Reaktionsgasstrom durch die Reaktionskammer und durch die Katalysatorpartikel geführt wird; daß die Reaktionskammer und die Regenerationsleitung mit solcher Amplitude in Vibrationen versetzt werden, daß die Katalysatorp&rtikel eine fluidisierte Translationsbewegung im Inneren längs der Reaktionskammer in zum Reaktionsgasstrom entgegengesetzte Richtung mit im wesentlichen gleichförmiger statistischer Querschnittsverteilung in der Reaktionskammer zwischen Einlaß und Auslaß ausführen und die Vibration einen kontinuierlichen Umlauf der Katalysatorpartikel von der Reaktionskammer durch den Einlaßabschnitt, der Regenerationskammer und den Auslaßabschnitt der geschlossenen Regenerationsleitung und zurück zur Reaktionskammer bewirkt; und daß die Vibration die Katalysatorpartikel in dem Einlaßabschnitt und dem Auslaßabschnitt der Regenerationsleitung in gleichförmiger, im wesentlichen vollständig gefüllter Quer-

509825/09 1 9

Schnittsverteilung durchlaufen lassen, so daß ein Entweichen des Reaktionsgasstromes durch den Einlaßabschnitt und/ oder den Auslaßabschnitt verhindert wird.
2. Verfahren na.ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßabschnitte der Regenerationseinrichtung eine Zuführleitung (48) und eine Rückkehrleitung (50) sowie eine sich zwischen beiden erstreckende dritte Leitung (46) aufweisen; und daß durch das Vibrieren die Katalysatorpartikel in der Zuführleitung und der Rückkehrleitung in im wesentlichen vollständig dichter Packung kontinuierlich strömend vorhanden sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (46) der geschlossenen Leitung an zwei Abstand aufweisenden Stellen (46a,46b) öffnungen zur Umgebung aufweist, so daß ein Gasstrom durch die erste Öffnung in die Reaktionskammer eintreten und diese durch die zweite öffnung verlassen kann.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regenerationsgas für die Katalysatorpartikel durch die erste Öffnung der Regenerationskammer und die zweite Öffnung geführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Reaktionskammer (46) ein federnd aufgehängter Vibratorkörper (42) befestigt ist, der mit einer unabhängig von der Reaktionskammer um ihre Achse drehbaren Welle (216) in Eingriff steht; daß Abstand aufweisende Gegengewichte (218,220) an gegenüberliegenden Enden der Welle befestigt und mit dieser drehbar sind; daß eine Antriebseinrichtung (224) mit der Welle gekuppelt ist und sie antreibt zusammen mit den Gegenge-

509825/0919

wichten; und daß die Masse der Gegengewichte, die Winkelbeziehung zwischen den Gegengewichten und di'e Vibrations- ι frequenz derart an den verwendeten Katalysatortyp angepaßt werden, daß die Katalysatorpartikel eine fluidisierte Bewegung ausführen.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibration der Reaktionskammer aus einer Kombination aus einer horizontalen Translationsbewegung und einer Kreisbewegung besteht.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorpartikel beim Regenerieren durch einen Ofen geführt werden, dessen Temperatur wesentlich über derjenigen der Katalysatorpartikel liegt, wobei die Innenfläche des Ofens aus dem gleichen Material wie der Katalysator besteht; daß von den auf die Innenfläche des Ofens auftreffenden Katalysatorpartikeln beim Verlassen der Oberfläche frische Atomlagen der Ofenoberfläche mitgenommen werden.
8. Verfahren nach einem-der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorpartikel beim Regenieren gekühlt werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separate Katalysator— Regenerationskreise vorgesehen sind, von denen jeder die Katalysatorpartikel in Vibrationen versetzt, so daß sie in fluidisiertem Zustand durch die einzelnen Katalysator-Regenerationseinrichtungen strömen, wobei die° Partikel . in einem Regenerationskreis gekühlt und in den» anderem Regenerationskreis aufgeheizt werden.

509825/0919