DE2457903A1

DE2457903A1 - Methode und vorrichtung zum zerstaeuben (feinverteilen) eines fluessigen stoffes mit hilfe eines gas- und/oder fluessigkeitsstrahles

Info

Publication number: DE2457903A1
Application number: DE19742457903
Authority: DE
Inventors: Seppo Ilmari Dipl In Blomqvist; Matti Elias Dipl In Honkaniemi; Launo Leo Lilja; Valto Johannes Maekitalo; John Henrik Dipl Ing Relander; Frans Heikki Dipl Ing Tuovinen
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1973-12-19
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1975-11-06
Also published as: SE7415941L; DE2457903B2; FI392273A; CA1032351A; US4011290A; SE418806B; FI51602B; FR2255110A1; DE2457903C3; JPS5521820B2; ZA747676B; FI51602C; JPS5093203A; FR2255110B1

Description

MÜLLER-BORE · GRÖb'NINQ · DEUrEL · SCHÖN · HERTEL

Patentanwalt;:
münchen · braunschweig ■ köln 2457903

Dr. W. Müller-Boro · Braunschweig H. Groenlng, Dipl.-Ing. · München Dr. P. Deufel, Dipl.-Chem. ■ München Dr. A. Schön, Dipl.-Chem. · München Werner Hertel, Dipl.-Phys. · Köln

München

OUTOKUMPU OY,
Outokumpu/Finnland

Methode.und Vorrichtung zum Zerstäuben (Feinverteilen) eines flüssigen Stoffes mit Hilfe eines Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode und eine Vorrichtung zum Zerstäuben (Feinverteilen) eines flüssigen Stoffes mit Hilfe eines Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles, wobei der zu zerstäubende Stoff in die Zerstäubungskammer fliesst und dort auf den zerstäubenden Stoffstrahl trifft.

Von der USA-Patentschrift Nr. 3672 370 her ist ein Raffinationsverfahren für geschmolzenes (flüssiges) kohlenstoffhaltiges Metall bekannt, bei welchem das Metall aus dem Reaktor-Oberteil aufgrund der Schwerkraft abfliesst und der frei fallende Schmelifstrom im Reaktor durch schräg nach unten

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mm O _

gerichtete, konvergierende Oxydationsgasstrahlen, welche aus um den frei fliessenden Schmelzstrom herum angeordneten Düsen austreten, zerteilt wird. Die Oxydationsgasstrahlen zerteilen den Metallstrorn zu Tropfen von relativ geringer Grosse und grosser Oberfläche.

Im Hinblick auf die Selektivität der Oxydation ist es wichtig, dass die Schmelze in sehr kleine Tröpfchen zerlegt wird. Je kleiner die Schmelzetröpfchen sind, umso kleiner ist auch der Konzentrationsgradient des Kohlenstoffes. Bei zu grosser Tropfchengrösse befindet sich, wenn bereits aller Kohlenstoff an der Tröpfchenoberfläche oxydiert ist, in Tröpfchenmitte noch Kohlenstoff, so dass an der Tröpfchenoberfläche vorzeitig Metall zu oxydieren beginnt, wodurch Materialverluste verursacht werden. Je kleinere Tröpfchen erzeugt werden, desto selektiver verläuft die Oxydation, d.h. die am leichtesten oxydierenden Bestandteile lassen sich praktisch vollkommen aus der Schmelze entfernen, ohne dass es,zu einer wesentlichen Oxydation der schwerer oxydierenden Bestandteile kommt.

Bei diesem bereits bekannten Verfahren bedient man sich einer Vorrichtung, bei welcher die Schmelze über einen langen, schmalen Spalt, neben welchem auf beiden Seiten schräg nach unten gerichtete Düsen angeordnet sind, in den Reaktor eingespeist wird.

Im Hinblick auf die Tröpfchenbildung wäre es natürlich vorteilhaft, den durch den Spalt eingespeisten Schmelze-"Schleier" möglichst dünn zu halten. In diesem Falle wird die Dicke des Schmelze-"Schleiers" durch die Spaltbreite bestimmt. Letztere kann jedoch nicht beliebig verringert werden, denn bei zu schmalem Spalt kommt der Schmelzefluss völlig zum Stillstand

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und bei etwas breiterem, aber nicht genügend breitem Spalt führen bereits kleine erstarrte Schmelzeklumpen zum'Reissen des Schleiers. Zur Bildung solcher erstarrter Schmelzeklümpchen kommt es besonders leicht in schmalen Spalten, in denen ein effektiver Wärmeübergang von der Schmelze zu den Spaltwänden erfolgt und die Temperatur der Schmelze nur knapp über dem Erstarrungspunkt liegt. Bei einem breiteren Spalt ist die Erstarrungstendenz der Schmelze geringer, und eventuelle üngleichmässigkeiten der Spaltwand haben keine wesentliche Beeinträchtigung der Schleierbildung zur Folge. Zu dieser bereits bekannten Vorrichtung kann somit festgestellt werden, dass diese dazu dienen soll, einen möglichst dünnen und gleichmassigen Schmelzeschleier zu erzeugen, der durch auf ihn gerichtete Gasstrahlen in möglichst kleine Tröpfchen zerteilt wird, dass aber die Gleichmässigkeit des Schleiers leidet, wenn versucht wird, dessen Dicke unter eine bestimmte Grenze zu drücken.

Wegen der verhältnismässig grossen Dicke des Schleiers sind für seine Zerteilung kräftige Gasstrahlen erforderlich, deren Erzeugung ein relativ teures und kompliziertes Düsensystem voraussetzt. Die Düsen sind nahe beim Spalt anzuordnen, damit der Schleier in Tröpfchen zerteilt wird, bevor er sich zu strecken'und ungleichmässig zu werden beginnt. Dadurch werden bezüglich der Widerstandsfähigkeit des Düsensystems hohe Anforderungen gestellt. Die von beiden Seiten auf den Schmelzeschleier gerichteten Gasstrahlen müssen ausserdem, um eine gleichmässige Zerteilung zu bewirken, gleichstark sein. Das Kontrollieren der Zerteilung mit Hilfe der Gasstrahlen gestaltet sich somit sehr schwierig. Durchgeführte Modellversuche ergaben ausserdem, dass die bei diesem bekannten Verfahren verwendeten kräftigen Gasstrahlen kräftige Gegenströme erzeugen, durch welche Schmelzetröpfchen nach oben bis an die

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Düsen geschleudert werden und diese beschädigen. Diese Er-" scheinung kann zum Teil davon herrühren, dass die kräftigen Gasstrahlen in die Schmelze eindringen, wobei sich das Gas explosionsartig ausdehnt und Schmelze nach allen Richtungen schleudert.

Abschliessend kann zu diesem bekannten Verfahren und der dafür verwendeten Vorrichtung noch festgestellt werden, dass dabei mit grossen Oxydationsgas-Überschüssen gearbeitet werden muss., die erforderlich sind, um den relativ dicken und damit schwer zu zerteilenden Schleier in Tröpfchen aufzulösen, und von denen lediglich ein Bruchteil mit dem in der Schmelze enthaltenen Kohlenstoff reagiert.

In der DDR-Patentschrift Nr. 91 902 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Frischen von Kupferstein mit Hilfe von Luft beschrieben, bei welchen der geschmolzene (flüssige) Kupferstein als dünne, breite Schicht über eine geneigte Schmelzrinne in den Ofen geleitet wird, so dass die unterhalb der Schmelzrinne angebrachten Luftdüsen die in Form einer Membran über die Rinnenkante strömende Schmelze zu Tröpfchen zerteilen können.

Auch in diesem Falle wird eine¹ möglichst dünne Schmelze-Membran angestrebt, um deren Zerteilen durch unterhalb der Schmelzrinne ihren Ausgang nehmende, auf die Schmelze-Membran gerichtete. Luftstrahlen zu erleichtern. Von der Anmelderin durchgeführte Modellversuche ergaben jedoch, dass, soll eine gleichmässige, zusammenhängende Membran erzeugt werden, auch bei diesem Verfahren der Mindestdicke der Schmelze-Membran Grenzen gesetzt sind. Es zeigte sich nämlich, dass der Schmelzestrom, nachdem er über die Rinnenkante getreten ist, im wesent-

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J —"

lichen die gleiche Dicke wie in der Rinne hat. Wird nun die Schmelze in zu dünner Schicht in die Rinne eingespeist, so kommt es zu Einschnürungr.erscheinungen u.dgl.; ausserdem kann die Schmelze wie im vorangehenden Falle u.U. wegen Wärmeverlustes teilweise erstarren. Zwar könnte die Gefahr des Einschnürens durch höhere Fliessgeschwindigkeit der Schmelze verringert werden, aber auch dieser Möglichkeit sind Grenzen gesetzt, da ja die Fliessgeschwindigkeit lediglich durch Erhöhen des Rinnen-Neigungswinkels gesteigert werden kann. Ausserdem sinkt die Fliessgeschwindigkeit rait abnehmenderSdichtdicke. Zur Verringerung der Einschnürungsgefahr muss ja die Schmelzerinn<=; so kurz wie möglich gehalten werden, so dass schon allein aus Konstruktionsgründen keine allzu grossen Neigungswinkel der Rinne möglich sind.

Man kennt ferner Vorrichtungen des erstgenannten Typs, bei welchen der Schmelzeschleier dadurch erzeugt wird, dass man die Schmelze in Form eines Strahls in einen im Querschnitt rechteckigen Trichter fHessen lässt, der an seinem unteren Ende einen schmalen Spalt aufweist. Der Schmelzes tr ahl wird dabei, damit er sich über die ganze Spaltlänge ausbreitet, auf die schräge Trichterwand geleitet. Der aus dem Spalt austretende Schmelzeschleier ist jedoch von der gleichen Art wie im erstgenannten Falle, und auch die Vorrichtung ist; mit den gleichen Mangeln behaftet.

Mit der vorliegenden Erfindung wird bezweckt, die in den oben erwähnten, bereits bekannten Verfahren und Vorrichtungen .auftretenden Mangel zu beseitigen und eine Methode sowie eine Vorrichtung zum Zerstäuben (Feinverteilen) eines flüssigen Stof fesjjmit Hilfe eines Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles zu schaffen, wobei aus dem zu zerstäubenden Stoff eine gegenüber früher dünnere, aber trotzdem gleichmässige Schicht gebildet wird, die sich dann leicht zu sehr kleinen Tröpfchen oder Teilchen zerteilen lässt.

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Die Hauptmerkmale der Erfindung sind in Patentanspruch 1 niedergelegt.

Die erfindungsgemässe Methode lässt sich für die vielfältigsten Zwecke verwenden, so zum Beispiel zum Frischen von Ferrochrom, zum Konvertieren von Sulfidstein, bei der Edelstahl-Raffination usw.

Der zu zerstäubende (zerteilende)Stoff muss in fliessfähiger Form vorliegen, so dass also in erster Linie Flüssigkeiten wie Metallschmelzen, Pulver wie feinkörniges Konzentrat und flüssige Dispersionen wie die verschiedenartigen Aufschwemmungen in Frage kommen. Das Versprühen von Gasen hingegen bietet im allgemeinen keine Schwierigkeiten.

Auch der zerstäubend (zerteilend) v/irkende Stoff muss in fliessfähiger Form vorliegen; in Frage kommen hierbei vor allem Gase wie Sauerstoff, Luft oder Wasserdampf, Flüssigkeiten, v/ie Wasser sowie Gas-Flüssigkeits-Gemische, wie z.B. ein Luft-Wasser-Gemisch. Natürlich wäre auch ein staubförmiger Stoff als zerstäubend wirkender Stoff denkbar, vorausgesetzt dass sich für eine solche Ausführungsform eine Verwendung findet.

Nach der erfindungsgemässen Methode lassen sich also, um nur einige Beispiel zu nennen, verschiedenartige pulvrige Substanzen etwa mit Luft zerstäuben oder verschiedenartige flüssige Stoffe mit irgendeinem oxydierend wirkenden Gas in Tröpfchenform oder mit Wasser in Kornform bringen.

Von den bisher bekannten Verfahren unterscheidet sich die erfindungsgemässe Methode darin, dass bei dieser zwecks Bildung einer dünnen Schicht aus dem zu zerstäubenden Stoff, z.B. zwecks Bildung eines Schmelzefilms, der zu zerstäubende Stoff in der

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Zerstänbungskammer gegen eine ablenkende Fläche geleitet wird. Die so erzeugte Schicht ist dank ihrer geringen Dicke und ihrer Gleichraässigkeit leicht in Teilchen oder Tröpfchen von ausserordentlich geringer und gleichmässiger Grosse zerteilbar. Das eigentliche Zerstäuben (Zerteilen) erfolgt, wie bei den. bereits bekannten Verfahren, durch einen Strahl aus zerstäubendem Stoff.

Mit der erfindungsgeraässen Methode lässt sich somit ein Film, eine Haut oder eine Schicht mit viel geringerer Dicke und gleichmässigerer Beschaffenschaft als früher erzeugen. An dieser Stelle dürften einige kurze Betrachtungen über die Ursachen dieser Erscheinung am Platze sein.

Bei der erfindungsgemässen Methode erreicht der zu zerstäubende Stoff, bedingt durch die Schwerkraft, vor seinem Auftreffen auf die ablenkende Fläche eine verhältnismässig hohe Geschwindigkeit. Alternativ könnte man sich auch vorstellen, dass der zu zerstäubende Stoff aus einer beliebigen Richtung, z.B. von unten nach oben, gegen die ablenkende Fläche gespritzt wird, aber auch in diesem Falle hat der zu zerstäubende Stoff noch genügend Bewegungsenergie,-um beim Auftreffen auf die ablenkende Fläche einen Film, eine Haut oder eine Schicht von der oben genannten Art zu bilden. Man kann also sagen, dass die kinetische Energie des zu zerstäubenden Stoffes mit Hilfe der ablenkenden Fläche teilweise in Zerteilungsenergie zur Bildung des Filmes, der Haut oder der Schicht ungewandelt wird. Generell kann ferner konstatiert werden, dass der Film, die Haut oder die Schicht umso dünner ist und die Tröpfchen,. Körner oder Teilchen umso kleiner sind, mit je höherer Geschwindigkeit der zu zerteilende Stoff auf die ablenkende Fläche trifft.

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Ausgehend von diesem Prinzip int es leicht verständlich, warum sich die bisher bekannten Verfahren so unvorteilhaft gestalten und warum sich mit der erfindungsgemässen Methode ein ganz entscheidend besseres Endergebnis als bisher erzielen lässt.

Bei den bisher bekannten Verfahren wird der Schmelzeschleier entweder mit Hilfe eines Spaltes oder mit Hilfe einer Schmelzerinne· erzeugt.Würde aber der Spalt so eng gehalten wie der nach der erfindungsgemässen Methode hergestellte Film dick ist, so flosse aus dem Spalt überhaupt keine Schmelze mehr aus; der Fliesswiderstand und die Wärmeverluste wären zu gross. Auch bei der in der Schmelzerinne fliessenden Schmelze besteht die Gefahr grosser Wärmeverluste, und vor allem die in der Rinne befindliche Schmelzschicht wird in ihrer Geschwindigkeit stark gebremst,woraus sich natürlich eine erhöhte Erstarrungssowie Schlierenbildungs- und Kräuselungsgefahr ergibt. Man hat festgestellt, dass sich mit Hilfe einer Schmelzerinne bei weitern keine so gleichmässigen und dünnen Schichten wie nach der erfindungsgemässen Methode herstellen lassen.

Beim Arbeiten nach der erfindungsgemässen Methode ist der zu zerstäubende (zerteilende) Stoff gemäss dem oben umrissenen Prinzip also entweder mit ausreichendem Druck gegen die ablenkende Fläche zu spritzen bzw. aus genügend grosser Höhe auf diese fallen, zu lassen. Die Fallhöhe für die Schmelze ist dabei begrenzt, da der Schmelzestrom von einem bestimmten Punkt an ungleichmässig zu v/erden beginnt; die maximal mögliche Fallhöhe für den betreffenden zu zerstäubenden Stoff lässt sich jedoch durch Versuche mühelos ermitteln. Desgleichen ist der Fachmann in der Lage, ohne komplizierte Versuche den geeignetsten Neigungswinkel der ablenkenden Fläche zu ermitteln.

Der Schmelzestrom muss ferner in der >7ähe der abgangseitigen Kante der ablenkenden Fläche auf diese auftreffen, um Ungleich-

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mässigkeiten (Einschnürungen u.dgl.) an der sich bildenden Haut, dem Film oder der Schicht zu vermeiden. Je kurzer die Berührungsstrecke der Schmelze mit der ablenkenden Fläche ist,desto kleiner sind die Wärmeverluste und der Fliesswiderstand. Bei der erfindungsgemässen Methode stehen diese Faktoren jedoch nicht in Beziehung zur Länge der ablenkenden Fläche, wie dies bei der Schmelzerinne der Fall ist, sondern vielmehr zum Abstand der Schmelzerinnen-Abflusskante vom Auftreffpunkt, und dieser Abstand kann unabhängig von der Länge der ablenkenden Fläche, gewählt werden. Desgleichen ist die Breite der ablenkenden Fläche beliebig wählbar, wenngleich diese vorzugsweise der Breite des zu zerstäubenden Stoffstromes entspricht bzw. im Hinblick auf die Treffsicherheit etwas grosser als diese ist.

Die ablenkende Fläche kann ebene oder gekrümmte Form, vorzugsweise z.B. Parabolform .haben.

Im folgenden vrird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 einen schematisierten Vertikalschnitt einer Vorrichtung zum Arbeiten nach der erfindungsgemässen Methode und Fig. 2 das Detail A aus Fig. 1 in vergrössertem Masstab.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist dem Reaktor (Zerstäubungskammer) die Bezugszahl 1, dem Reaktordeckel die Bezugszahl 2 und der Sammelwanne die Zahl 3 zugeordnet. Am Vorderteil des Reaktors ist auf dem Deckel 2 das Einfüllbecken 4 angeordnet, in dessen Boden ein Lochziegel 5 eingebaut ist, welcher das Einfüllbecken 4 mit dem Inneren des Reaktors 1 verbindet. Dem durch den Lochziegel 5 fliessenden zu zerstäubenden Stoffstrom wurde die Bezugszahl 6_r der von dem. innenseitig an der Reaktorvorderwand angebrachten schrägflächigen Zerteilungsziegel 7 abgelenkten und verursachten fächerförmigen Schmelze-Membran die

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I NACHGEREIOHTI

Bezugszahl 8 zugeordnet. Unterhalb des Zerteilungsziegels 7 sind die Düsen 9 für den zerstäubend (zerteilend) wirkenden Stoff angeordnet; der durch letzteren aus der Schmelze-Membran 8 gebildete Tropfchenschwarm (Nebel) trägt die Bezugszahl 10. Zum Ablenken und Führen dieses Tropfchenschwarms 10 sind im Deckel 2 des Reaktors 1 Leitgasdüsen 11 angeordnet, welche die Tröpfchen nach unten in die Sammelwanne 3 lenken, in welcher sich die Schmelze und eventuelle Schlacke 12 sammeln. Weiter ist am hinteren Ende des Reaktordeckeis 2 eine Abzugsöffnung 13 für Abgase-vorhanden. Die oben umrissene Vorrichtung kann auf erfindungsgemässe Weise zum Beispiel zum Frischen von Ferrochrom verwendet werden. Das Frischen gliedert sich hierbei in folgende Phasen:

Nach dem Abstechen und Abschlacken wird das zu raffinierende Ferrochrom in einer Pfanne zum Reaktor 1 gebracht und mit passender Geschwindigkeit in das Einfüllbecken 4 geschüttet, von wo es durch den Lochziegel 5 hindurch in den Reaktor 1 rinnt.

Der Schmelzestrom wird auf den schrägen Zerteilungsziegel 7 geleitet und dort von diesem zu einer Haut (Membran) ausgebreitet.

Durch horizontales Einblasen von Sauerstoffstrahlen 9 wird die Ferrochrom-Haut (-Membran) zu einer Tröpfchenschar (Nebel) zerteilt.

In die Rekationszone können Entschwefelungs- und Flussmittel, beispielsweise gebranntes Kalkmehl, eingespeist werden.

Die weitere Steuerung des Tröpfchenstrahles und der Frischungsreaktionen erfolgt durch Einblasen von Luft bzw. Sauerstoff in die Reaktionszone; hierzu dienen die in den Reaktordeckel 2 eingebauten Düsen 11.

Das Ferrochrom und die Schlacke 12 werden in der Sammelwanne (Sammelpfanne) 3 gesammelt, in der dann ein Nachfrischen sowie eventuell das Reduzieren der Schlacke beispielsweise mittels Siliziumchroms erfolgt. Weiter können in die Sammelwanne auch Chemikalien mittels Lanzen injiziert werden. Während des Frischens kann die Temperatur des Produktes zum Beispiel durch Zugabe von Ferrochrom-Schrott gesenkt werden.

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-' 11 -

Die Abgase werden über die-Abzugsöffnung 13 und über einen Venturiwäscher aus dem Reaktor abgesaugt. Im Wascher wird der Flugstaub aufgefangen. Im Waschteil des Reaktors kann ein Nachverbrennen (Nachoxydation) des entstandenen CO-Gases erfolgen.

Das raffinierte Ferrochrom wird nach dem Abscheiden der Schlacke gegossen.

Das Gelingen des Ferrochrom-Frischens hängt in erster Linie von der Zerstäubungs- oder Tröpfchenbildungsphase ab, das heisst davon, wie intensiv die Tröpfchenbildung im Zerteilungsmoment erfolgt und wie kleine Tröpfchen dabei gebildet werden. Zur Begründung dieser Feststellung kurz das Folgende: Beim Frischen von Ferrochrom mittels Sauerstoffes kann es zu folgenden dominierenden Reaktionen kommen:

1) 1/3 Cr₇ C₃ + 1/2 O₂ = 7/3 Cr + CO

2) 2/27 Cr₇ C₃ + 1/2 O₃ = 7/27 Cr₂ O₃ + 6/27 CO

3) 2/3 Cr + 1/2 O₂ = 1/3 Cr₃ O₃

4) 1/3 Cr₂ O₃ + 1/3 Cr₇ C₃ = 3 Cr + CO

5) Fe + 1/2 O₂ = FeO

6) Si + O₂ = SiO₂

Bei niedrigeren, der Ferrochrom-Abstichtemperatur entsprechenden Temperaturen (1500 bis 1600°C) ,d.h.. bei Anfangstemperatur

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des Frischens, herrschen nach erfolgter Reaktion (6) die Reaktionen (2) und (3) vor, wobei die Reaktion (2) stets vor der Reaktion (5) stattfindet, während bei Temperaturen über 17OO°C die Reaktionen (1)und (4) stattfinden. Damit möglichst wenig Chrom oxydiert, muss die Schmelze möglichst schnell auf eine Temperatur von über 1700°C gebracht v/erden. Im Moment der Tröpfchenbildung erfolgt als erstes sofort die Oxydation (6) des Siliziums des Ferrochroms, und dabei wird die Tröpfchentemperatur umso schneller erhöht, je kleiner die Tröpfchen sind.

Das zu raffinierende Ferrochrom muss eine normale Menge Silizium .enthalten, beispielsweise 2,0 % Si erhöhen beim Verbrennen die Temperatur der Schmelze um 4 2O°C. Die Schmelze wird in sehr kleine Tröpfchen zerstäubt, um für die Raffination eine günstige, grosse Reaktionsfläche zu schaffen, da ja die Reaktionsgeschwindigkeit beim Frischen von der Diffusion des Sauerstoffes in das Ferrochrom bestimmt wird. Verglichen zum Beispiel am Frischen von Schmelzeisen ist beim Dekarbonisieren von Ferrochrom die Tropfchengrösse auch deshalb von Bedeutung, v/eil nach Absinken des Kohlenstoffgehaltes der Tröpfchen-Oberfläche unter einen kritischen Wert an der Tröpfchen-Oberfläche bereits Chrom zu oxydieren beginnt, während der Tröpfchen-' Kern noch einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweist. Zum Beispiel bei einer Temperatur von 1800°C, einem Chromgehalt von 50 % und einem Druck von 1 atm beträgt dieser Kohlenstoffgehalt 0,9 %.

Zur Durchführung einer den vorangehend aufgeführten Anforderungen entsprechenden Zerstäubung (Tröpfchenbildung) seien im folgenden die mit dem Verfahren verbundenen physikalischen Phasen beschrieben:

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Der maximale Abstand der zur Bildung der Haut (Membran) 8 erforderlichen schrägen Fläche 7 wird in erster Linie vom Einschnürungspunkt des durch Regulierung der Weite der Bodenöffnung 5 des Einfüllbeckens 4 und des Füllstandes im Einfüllbecken gesteuerten zusammenhängenden Schmelzestromes bestimmt.

Durch entsprechende Formgebung der schrägen Fläche 7 lässt sich die Form der entstehenden Schmelze-Haut (ebenflächig, parabololdisch usw.) beeinflussen. Als einfachste Lösung für die schräge Fläche hat sich in der Praxis ein Ziegel 7 erwiesen; das Ausmass der sich von ihm ebenflächig verbreiternden, sich nach unten zu parabolisch krümmenden Schmelze-Haut 8 kann dabei nicht nur z.B.durch den Abstand des Ziegels 7, sondern auch durch dessen Neigungswinkel und Breite beeinflusst werden.

Nach ausreichender Verdünnung an ihren Randpartien zerreisst die Schmelze-Haut 3 zunächst in bandförmige Teile,um sich schliesslich hauptsächlich durch die Wirkung von Oberflächenspannungen weiter in Tröpfchen aufzulösen. Die Grosse der entstehenden Tröpfchen 10 wird dabei natürlich vom Dünnheitsgrad der Schmelze-Haut 3 beeinflusst, welcher beträchtlich von der Auftreffstelle des Schmelzestromes 6 am Schrägziegel 7 mitbestimmt wird. Unterstützt wird das Zerteilen der Haut noch durch die etwa waagrecht verlaufenden Gasstrahlen 9, die aus den Zerteilungsdüsen austreten und gex^ährleisten, dass sehr kleine, grossflächige Schmelzetröpfchen 10 entstehen. Die Geschwindigkeit des so entstehenden Gas-Tröpfchen-Gemisches bestimmt die Verweilzeit,und seine Turbulenz wirkt sich auf den Gasaustausch in der Nähe der Tröpfchenoberfläche aus.

Damit die Energie der Zerteilungsstrahlen 9 in möglichst hohem Grade zum Zerstäuben der Schmelze in Tröpfchen ausgenutzt werden kann, muss der Abstand der Düsen 9 von der Haut 8 kurz genug sein.

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In diesen Zusammenhang ist festzustellen, dass der Grossteil der Energie des Gasstrahles durch unelastischen Zusammenprall zwischen Gas und Schmelze, zur Beschleunigung der Schmelzetröpfchen und des von ausserhalb des Strahles angesaugten Gases sowie für die Ausdehnung des letzteren aufgebraucht wird und somit nur ein kleiner Teil dieser Energie für die Bildung neuer Oberfleiche zur Verfügung steht. Neben diesen energiewirtschaftliehen Betrachtungen ist ausserdem zu berücksichtigen, dass, wird eine bestimmte Tropfchengrösse angestrebt, hierfür auch eine bestimmte Mindestgasgeschwindigkeit erforderlich ist. Als dritter begrenzender Faktor bezüglich des Abstandes der Düsen 9 von der Schmelze-Haut 8 ist die ständige Verdünnung der Gasstrahlen durch Aufnahme von Gasen aus der Umgebung zu nennen, deren Anteil am Gasstrom mit zunehmendem Abstand wrchst.

Das Verhalten der hinter dem Zerteilungspunkt {Zerstäubungspunkt) vorliegenden Gas-Tröpfchen-Suspension 10 wird von den Massen und den Geschwindigkeiten der Schmelze und der Ga-strahlen mitbestimmt. Unter Berücksichtigung der vorgenannten Umstände sind in dieser Beziehung in der Praxis die Gasstrahlen ausschlaggebend. Aus diesem Grunde kommt es leicht dazu, dass die Tröpfchen in der Nähe der Abzugsöffnung 13 gegen die Reaktorrückwand prallen und in Gefahr sind, unter den Flugstaub zu geraten. Um dies zu verhindern, sind in der Reaktordecke Gasdüsen angeordnet, deren Gasströme den Suspensionsstrom 10 nach unten drücken.

Im:folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen eingehender beschrieben; dabei ist jedoch zu bemerken, dass es für den Fachmann ein leichtes ist, im Einzelfalle durch Variieren der Zufuhrgeschwindigkeit und -menge des zu zerstäubenden Stoffes, des Abstandes der Zufuhrstelle von der ablenkenden Fläche, des Abstandes des Auftreffpunktes von der Abflusskante der ablenkenden Fläche, des Neigungswinkels

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und der Breite der ablenkenden Fläche-, der» Zufuhrdruckes, der Zufuhrmenge und der Zufuhrrichtung des zerstäubend v/irkenden Stoffes sowie durch Kontrollieren der Gleichmässigkeit und Breite der entstehenden Haut, des Schleiers oder der Schicht und der Gleichmässigkeit und der Tröpfchenbzw. Korngrösse der entstehenden Tröpfchen-, Korn- oder Teilchenschar die passenden Parameter zu ermitteln. Es ist unmöglich, Beispiele über all diese Veränderlichen zu bringen oder auch nur deren Grenzen festzusetzen, da diese von den Arbeitsverhältnissen, dem zu zerstäubenden Stoff und dem zerstäubend wirkenden Stoff abhängig sind,und diese drei letztgenannten Faktoren in sehr weiten Grenzen variieren können.

Man hat festgestellt, dass sich die erfindungsgemässe Methode zum Zerstäuben (Zerteilen) von Schmelze in kleine Tröpfchen und zum Zerstäuben pulverartiger Konzentrate mit Hilfe von Sauerstoff, Luft und/oder Dampf eignet. Es spricht auch nichts gegen die Annahme, dass sich die erfindungsgemässe Methode ebenso gut zum Zerstäuben flüssiger Dispersionen oder zum Arbeiten mit Flüssigkeiten als zerstäubend wirkenden Stoff eignet.

In diesem Zusammenhang ist der Begriff "Reaktor" sehr weit gefasst zu verstehen. Der Reaktor kann zum Beispiel auch eine Granulierkammer öder eine ähnliche Verarbeitungseinrichtung sein.■·■.-

Beispiel 1

Man liess im Mittel 17,4 t/h flüssiges Ferrochrom durch eine öffnung von 15 mm Durchmesser aus einer Höhe von 0,5 m mit einer Geschwindigkeit von 2,2 m/s auf die obere ebene Fläche eines um 45° geneigten Ziegels in einer Entfernung von 50 mm von der oberen Ziegelaussenkante aufströmen. Der dadurch erzeugte Schmelze-Film hatte in einem Abstand von 0,5 m von der

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ablenkenden Fläche eine Breite von 0,35 m. Die Gesamtlänge des zusammenhängenden Filmes betrug 1 m. Berechnungen anhand der angeführten Vierte ergeben, dass es sich dabei um einen ausserordentlich dünnen Film handelte.

Versuche ergaben, dass das Verhältnis aus Filmlänge und -breite mit zunehmendem Neigungswinkel der ablenkenden Fläche abnahm. Mit wachsender Fallhöhe nahm die Grosse des Filmes zu. Für die Fallhöhe ergab sich jedoch ein durch Einschnürung des Schmelzestrahles bedingter Maximalwert, dessen tiberschreiten zu momentanem Reissen des Filmes führte.

Die optimale Auftreffstelle des zu zerstäubenden Stoffes auf der ablenkenden Fleche war eine Stelle möglichst nahe bei der Aussenkante der Fläche. Mit zunehmendem Kantenabstand des Auftreffpunktes wurde der Schmelzefilm kürzer, und nach überschreiten eines bestimmten Abstandswertes wurde überhaupt kein Film mehr gebildet.

Durch Reduzieren der Breite der ablenkenden Fläche wurde die Filmbildung verbessert. Die Flächenbreite musste jedoch wenigstens der Breite des Schmelzestrahles entsprechen. In der Praxis wurde sie jedoch im Hinblick auf die Treffsicherheit etwas grosser gehalten.

Vor allem beim Anlaufen des Systems kam es wegen ungenügender Treffgenauigkeit mitunter dazu, dass ein Teil der Schmelze ohne einen Film zu bilden - seitlich am die ablenkende Fläche bildenden Ziegel herablief. Um dies zu verhindern, wurde die ablenkende Fläche mit Seitenwänden versehen, wobei jedoch dann die auf die Seitenwände treffende Schmelze randseitig am Film "schnurartige" Striemen bildete und es zum Reissen des Filmes kam. Auf die Verwendung einer solchen rinnonartigen Ablenkungsfläche musste deshalb verzichtet werden. Dagegen konnte das

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I NACHGEREICHT

Problem durch seitlieh auf den Ziegel blasende, TpscashAd? ^ ^ gerichtete Gasstrahlen zufriedenstellend gelöst werden.

Beispiel 2

Mittelstark kohlenstoffhaltige Ferrochromsorten wurden in einem Reaktor hergestellt, dessen Einfüll- und Zerstäubungseinrichtungen folgende Dimensionen hatten:

Durchmesser des Einfüllbecken-Ausflusses: 32 mm Fallhöhe Ausflussöffnung - Ablenkziegel : 700 mm Neigungswinkel des Ziegeis: 45°; Ziegelbreite: 125. mm Auftreffpunkt des Strahles: 50 mm von der Ziegelspitze Die 15 Hauptdüsen waren um 5° nach unten geneigt, hatten vom Ferrochrom—Film einen Abstand von 273 mm und befanden sich in einer Höhe, dass sich eine Filmlänge von 196 mm ergab.

Die 15 deckelseitigen Düsen waren um 5° zum Zerstäubungspunkt hin geneigt und hatten von der Tröpfchenstrahl-Mittellinie einen Abstand von 781 mm« Die Auftreffstellen hatten einen gegenseitigen Abstand von 736 mm.

Mit Hilfe des Füllstandes im Einfüllbecken wurde der Ferrochromzufluss auf 30 t/h geregelt. In die Reaktionszone wurden über eine im Reaktordeckel· angebrachte Düse Flussmittel injiziert. Der Tröpfchenstrahl wurde in die Sammelwand geleitet, von wo dann nach Abscheiden der Schlacke das Giessen des Ferrochroms erfolgte. Die Abgase wurden über einen Venturiwäscher nach aussen gesaugt.

Au s gangs-Ferrοchrom	Cr	Analyse/ Fe C Si	%	O,	S	Menge t	Temperatur Grad C
a)	53,5	36,2 7,3 2_lf	5	Or	035	18,0	1580
-b)	53,8	36,4 7,5 1,	9		040	15,0	1590
Es wurde gebrannter	Kalk	injiziert:
a)	270.0	kg
b)	1275	kg

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NÄCHGEREICHT

' ι

Im Fall a) wurden insgesamt 2550 NnP Sauerstoff zugeführt; die Düsendrücke betrugen 4 atü (4 At überdruck).

Im Fall b) wurde über acht Hauptdüsen und acht im Deckel angebrachte Düsen Sauerstoff eingeblasen. Weiter wurde über sieben Hauptdüsen und sieben Deckeldüsen überhitzter Wasserdampf von 22O°C eingeblasen. Die eingeblasene Dampfmenge betrug insgesamt 1,2 t. Der Überdruck in den Sauerstoffdüsen betrug 10 at, die Gesamtsauerstoffmenge 1800 Nm .

Im Anschluss an das Frischen wurde die Schlacke mit Siliziumchrom reduziert, welches folgende Analysenwerte hatte: Cr 38 %, Fe 18 % und Si 44 %. Xm Fall a) wurden 23.40 kg Siliziumchrom, im Fall b) 1210 kg Siliziumchrom zugegeben,

Endschlacke Analyse Menge

Cr₃O₃ FeO CaO ^si02 ^

a) 7,7 2,5 41,3 38,5

b) 11,5 3,4 34,7 40,4

Ferrochrom (Endprod.) Analyse

Cr Fe C Si S

	a)	53	,2	44,	2	1	,2	1,	3	0	,02
	b)	56	,0	40,	3	2	,6	0,	8	0	,02
Beispiel";	3

6,	3	,4
3,	7	,8
Menge
t
15
13

Roheisen, wurde in einem Reaktor raffiniert, dessen Einfüll- und Zerstäubungseinrichtungen folgende Dimensionen hatten:

Durchmesser des Einfüllbecken-Ausflusses: 25 mm Fallhöhe Ausflussöffnung - Ablenkziegel: 500 mm

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Neigungswinkel des Ziegels: 55°; Ziegelbreite: 125 mm Auftreffpunkt des. Schnelzestrahles: 30 ran von der Ziegelspitze Die 15 Ilauptdüsen waren horizontal gerichtet, hatten einen Abstand von 180 mm vom Roheisenfilm und waren in einer Höhe angeordnet, dass sich eine Filmlänge von 160 mm ergab.

Die zv/ei im Deckel angeordneten Düsen waren auf die Mittellinie des Tropfchenstrahls gerichtet und hatten von dieser einen Abstand von 500 mm. Die Auftreffstellen befanden sich in einem gegenseitigen Abstand von 1100 mm.

Das Roheisen floss mit einer Geschwindigkeit von 11,1 t/h in den Reaktor. Wehrend der Raffination wurden in die Reaktionszone insgesamt 14 % gebranntes Kalkpulver und von den Abgasen abgeschiedener Flugstaub, bezogen auf das ^infüllgut, injiziert. Über die Ilauptdüsen wurde Sauerstoff mit einem Überdruck von 3,2 at eingeblasen, über die im Deckel befindlichen Düsen wurde Luft mit einem Überdruck von 1 at eingeblasen.

Bei einer Sauerstoffzufuhr von 652 Nm^/h und einer Luftzufuhr von 1410 Nm /h wurde folgendes Resultat erzielt:

C Si Mn P S/%

Roheisen 4,2 0,9 0,8 0,09 0,035

erhaltenes Produkt 0,12 0,01 0,02 0,025 0,020

In den folgenden Versuchen wurde auf den Ablenkziegel verzichtet, und die Hauptdüsen wurden gegen drei Düsen ausgewechselt, die in einem Abstand von 100 mm in waagrechter Stellung standen und auf den Schmelze-Strom gerichtet waren. Ein entsprechendes Raffinationsergebnis wurde erst erzielt, als die Sauerstoffzufuhr auf 869 "Nm /h und der Düsen-Überdruck auf 5,7 at erhöht worden waren. Durch die deckelseitigen Düsen wurde die gleiche Luftmenge wie zuvor, 1410 Nm /h, eingeblasen.

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- 20 Beispiel 4

a) Ferrochrom wurde in einem Reaktor raffiniert, dessen Einfüll- und Zerstäubungseinrichtungen folgende Dimensionen hatten:

Durchmesser des Einfüllbecken-Ausflusses: 22 mm Fallhöhe Ausflussöffnung - Ablenkziegel: 500 mm; Neigungswinkel des Ziegels: 45°; Ziegelbreite 125 mm Auftreffpunkt der Schmelze: 30 mm von der Ziegelspitze Die sieben Hauptdüsen befanden sind in einem Abstand von 270 mm vom Ferrochromfilm und in einer Höhe, dass eine Filmlänge von 160 mm erzielt wurde

Die zwei deckelseitigen Düsen waren auf die Mittellinie des Tröpfchenstrahls gerichtet und 500 mm von dieser entfernt. Die Auftreffstellen hatten einen gegenseitigen Abstand von 1100 mm.

Das Ferrochrom floss mit einer Geschwindigkeit von 13 t/h in den Reaktor·. Über eine neben den Hauptdüsen angeordnete Düse wurden 7,5 % gebranntes Kalkpulver, bezogen auf das Einfüllgut, in die Reaktionszone Injiziert. Der Sauerstoff-Überdruck in den Düsen betrug 4,5 at.

b) Zum Vergleich wurde ein zweiter Versuch mit einem andersartigen Reaktor durchgeführt, bei dem die Düsen ringförmig um den Lochziegel herum angeordnet waren.

Durchmesser des Einfüllbecken-Ausflusses: 22 mm Die zwölf Düsen waren in einem Winkel von 30° auf den Schmelzstrahl gerichtet. Der Abstand Düsen-Auftreffstelle bezug 250 mm.

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2-

■fa

lACHQEREICHT

Das Ferrochrom strömte· mit einer Geschwindigkeit von 13 t/h in den Reaktor. In die Reaktionszone wurden seitlich 7,5 % gebranntes Kalkpulver,, bezogen auf die Einfüllmenge, injiziert. Der Sauerstoff-Überdruck musste auf 25 at erhöht werden.

Ausgangs-Ferrochrom

roir	ι	Cr	2	Analyse	Si	6	Menge	Temperatur
	62,	6	Fe C	1,	7	kg .	Grad C
a)	61,	27,2 8,1	1,	1100	1610
b)		27,5 8,0		1500	1580

Sauerstoffmenge a) Hauptdüsen 70 Nm-Vt; deckelseit.Düsen 29,5 Nm /t

b) 98,5 NrrT/t

ack	:e Cr	2°3	FeO	,5	Analyse CaO	SiO	2	Menge kg
a)	34	,8	4	,4	33,3	14,	4	250
b)	39	,7	4	32,0	12,	9	350

Raffiniertes Ferrochrom Cr Fe

a) 63,4 30,2

b) 62,9 30,3

Analyse Menge

C Si kg

4,3 0,1 960

4,7 0,1 1280

Chromausbeute %

89,2 87,2

Im Fall a) verlief die Reaktion gleichmässig und kontrolliert, während im Fall b) die Reaktionen teils, explcsionsartig verliefen und ein ungleichmässigeres Raffinationsergebnis erzielt wurde.

ORIGINAL INSPECTED

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Claims

Patentansprüche

Methode zum Zerstäuben (Feinverteilen) eines flüssigen Stoffes mit Hilfe eines Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles, wobei der zu zerstäubende Stoff in die Zerstäubungskammer fliesst und dort auf den zerstäubend v/irkenden Stoffstrahl trifft, dadurhh gekennzeichnet, dass der· zu zerstäubende Stoff zwecks Bildung einer dünnen Schicht aus dem zu zerstäubenden Stoff gegen eine Ablenkfläche prallt, bevor er auf den zerstäubend wirkenden Stoffstrahl trifft.
2. Methode nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der zu zerstäubende Stoff zwecks Bildung einer schräg nach unten gerichteten gleichmassigen, dünnen Schicht (3) aus ihm auf eine schräge Fläche (7) fliesst, und die entstandene dünne Schicht

(8) unverzüglich durch unter der schrägen Fläche (7) hervortretende, auf die dünne Schicht (3) gerichtete zersprühend wirkende Stoffstrahlen (9) zerstäubt (zerteilt) wird.
3. Methode nach Patentanspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , dass der zu zerstäubende Stoffstrom (6) an einer Stelle auf die Ablenkfläche (7) auftrifft, die sich in unmittelbarer Nähe der Abflusskante dieser Fläche befindet.
4. Methode nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gek-ennzeichnet , dass die zerstäubend wirkenden Stoffstrahlen (9)im wesentlichen waagrecht zur Schicht (8) hin verlaufen, um aus dem zerstäubend wirkenden Stoff und dem zu zerstäubenden Stoff ein Gemisch (10) zu erzeugen, welches sodann durch einen abwärts gerichteten Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahl nach unten abgelenkt wird.

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5. Methode nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stabilisierung der Filrnbildung gegen beide Flanken der Ablenkfläche (7) Gas und/oder Flüssigkeit geblasen bzw. gesprüht wird.
6. Vorrichtung zum Arbeiten nach der im Patentanspruch 1 niedergelegten Methode, welche (Vorrichtung) einen Reaktor (1), Einrichtungen (4, 5) zum Einspeisen des flüssigen zu zerstäubenden Stoffes in den Reaktor (1) und Einrichtungen (9, 14, 15) zum Einblasen bzw. Einspritzen des gasförmigen und/oder flüssigen zerstäubend wirkenden Stoffes in den Reaktor (1) und gegen den zu zerstäubenden Stoffstrom zwecks Zerstäubens desselben umfasst, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Schnittpunkt von zersprühend wirkendem und zu zerstäubendem Stoffstrom und der Einspeisestelle (5) des zu zerstäubenden Stoffes angeordnete, von der Einspeisevorrichtung (9) des zerstäubend v/irkenden Stoffes abgewandte, gegenüber dem zu-zerstäubenden Stoffstrom (6) geneigte Fläche (7), welche den Stoffstrom (6) vor dessen Zusammentreff eni mit dem zerstäubend wirkenden Stoffstrahl zu einer gleichmässigen, dünnen Schicht (8) ausbreitet.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, gekennzeichnet durch eine im Reaktor (1) angeordnete schräge Fläche (7), eine oberhalb der schrägen Fläche (7) angeordnete Öffnung (5), durch welche der zu zerstäubende Stoff zwecks Bildung einer gleichmässigen, dünnen Schicht (8) auf die schräge Fläche fliesst, sowie durch unterhalb der schrägen Fläche (7) angeordnete Düsen (9), welche den zerstäubend wirkenden Stoff gegen die Schicht (8) spritzen bzw. blasen,

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8. Vorrichtung nach Patentanspruch 6 oder 7, g e k e η η τ zeichnet durch einen an der Viand des Reaktors (1) angebrachten Körper, vorzugsweise einen Ziegel (7), welcher eine dieser Wand entgegengesetzte schräge Fläche aufweist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass die Neigung des Ziegels (7) etwa 5 bis 60° beträgt.
10. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 7, 3 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Arbeiten mit Schmelze der Abstand der öffnung (5) von der schrägen Fläche (7) etwa 500 bis 1000 mm beträgt.
11. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (5) so zur schrägen Fläche (7) angeordnet ist, dass der zu zerstäubende Stoffstrom (6) in einem Abstand von 0 bis 200 mm, beispielsweise ca. 30 bis 50 mm, von der Unterkante der schrägen Fläche (7) auf diese auftrifft.
12. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 3 bis 10, gekennzeichnet durch gegen die Flanken des Ziegels (7) gerichtete zusätzliche Düsen, welche dazu dienen, den zerstäubend wirkenden Stoffstrahl längs den Seitenflächen des Ziegels (7) gegen eventuell abrinnenden zu zerstäubenden Stoff zu lenken und dessen Fliessen in Richtung auf die Düsen (9) zu zu verhindern.
13. Vorrichtung nach den Patentansprüchen 6 bis 10, gekennzeichnet durch im Deckel (2) des Reaktors (1) angeordnete, auf das Gemisch (10) aus zerstäubend wirkendem und zu zerstäubendem Stoff gerichtete Leitdüse (11), welche das Gemisch (10) im Reaktor (1) nach unten ablenken.

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