DE2545192A1

DE2545192A1 - Wirbelbett sowie verfahren zum stabilisieren eines wirbelbettes

Info

Publication number: DE2545192A1
Application number: DE19752545192
Authority: DE
Inventors: Ronald E Rosensweig
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1974-10-11
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1976-04-22
Also published as: FR2287268B1; NL173606B; NL7511891A; BR7506644A; NL173606C; DE2545192C2; GB1525754A; CA1095695A; AU8534875A; FR2287268A1; IT1054337B

Description

Wirbelbett sowie Verfahren zum Stabilisieren

eines Wirbelbettes

Es ist bekannt, daß sich beim Aufwärtsströmen eines Fluids durch ein Bett aus Feststoffteilchen mit einer ausreichenden Strömungsrate die Teilchen im Bett frei bewegen und nicht aufeinander ruhen, so daß sich das Bett ähnlich einer Flüssigkeit verhält. Diese aufgewirbelten Feststoffteilchen üben eine Auftriebskraft auf schwebende Gegenstände aus, bewirken Oberflächenwellen und haben andere Eigenschaften, wie sie normalerweise bei Fluiden zu finden sind. Bei einem derartigen bekannten Wirbelbett ergibt sich eine hohe Mischungsrate und ein großer Wärmeübergang. Es ist bekannt, derartige Wirbelbetten für unterschiedliche Trocknungs- und Röstverfahren sowie für chemische Verfahren und Verfahren zur Erdölverarbeitung anzuwenden. Ein weiterer Vorteil bei Verwendung eines Wirbelbettes in derartigen Verfahren besteht im kontinuierlichen Zusetzen und Entfernen der Feststoffteilchen, die das Wirbelbett bilden, wodurch infolge Bruches oder Zerschlagens von Feststoffteilchen entstehender Abrieb sowie bei Verwendung der aufgewirbelten Feststoffteilchen für katalytische Vorgänge die verbrauchten Katalysatorteilchen einfach entfernt werden können.

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Ein Nachteil von mittels Gas aufgewirbelten Feststoffteilchen ist bekannt. Wenn nämlich die Gasgeschwindigkeit über einen minimalen Wert erhöht wird, entstehen im Wirbelbett Blasen. Ein Blasen aufweisendes Wirbelbett hat Bereiche mit geringer Feststoffteilchendichte, in denen Gaseinschlüsse oder leere Räume vorhanden sind, die als Gasblasen bezeichnet werden.
Die Bildung der Blasen führt zu einem Ausweichen, zu Verzögerungen und zur Entstehung von Kanälen, wodurch die in einem Wirbelbettverfahren erwartete enge Berührung zwischen Fluid und Feststoffteilchen verlorengeht und ein Zerbrechen der
Feststoffteilchen eintreten kann. Zur Lösung dieses Blasenproblems hat man bereits in Wirbelbettverfahren, bei denen die Feststoffteilchen mindestens in durchschnittlichem Umfang
eine elektrische Oberflächenleitfähigkeit hatten, an ein ionisierbares Fluid eine Koronaentladung angelegt. Wie in der US-PS 3 304 249 erwähnt, soll dadurch eine Stabilisierung des Wirbelbettes erreicht werden, wobei die üblichen Verzögerungs- oder Abienkwirkungen infolge zu hoher Geschwindigkeit im Wirbelbett erheblich verringert werden. Schwierigkeiten bei diesem Verfahren bestehen darin, daß keine Funkenbildung auftreten darf, daß inerte Elektroden in Kontakt mit den Feststoffteilchen des Bettes und des Gases, wobei es sich zeitweise um unter hohem Druck stehende Gase handelt, gebracht werden müssen, wodurch teure Gefäße zur Verhinderung der Funken- oder Lichtbogenbildung in Anwesenheit gewisser Gase oder Gasmischungen erforderlich sind, daß Feststoffteilchen mit niedriger oder

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hoher Oberflächenleitfähigkeit nicht verwendet werden können und daß Gase oder Gasmischungen mit einem niedrigen Ionisierungspotential nicht einsetzbar sind.

In der US-PS 3 439 899 ist ein Verfahren zur Verhinderung der Blasenbildung in einem Wirbelbett durch Anlegen eines Magnetfeldes an mindestens einen Bereich des Bettes beschrieben und dargelegt, daß permanentmagnetische Teilchen, d.h. Teilchen, deren Koerzitivkraft größer als 50 Oe ist, verwendet werden müssen. Gemäß dieser Patentschrift wird außerdem ein Wechselstrom benutzt, um an das Wirbelstrombett ein elektromagnetisches Feld zu legen. Somit wird gemäß diesem vorbekannten Verfahren ein sich zeitlich änderndes Feld an das Wirbelbett gelegt, um die Schwierigkeiten infolge Blasenbildung zu vermeiden. In der US-Patentschrift ist ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das Feld benutzt wird, um Einzelbewegungen der magnetisierten Teilchen zu bewirken. Wie später gezeigt werden wird, ist dies genau entgegengesetzt zu dem erfindungsgemäßen Vorschlag.

In der US-PS 3 440 731 ist das Anlegen eines Magnetfeldes an ein Wirbelbett gezeigt, wobei sich durch die Lage des Magneten bezüglich des Wirbelbettes kein gleichförmiges Feld durch das Bett ergibt. Diese US-Patentschrift wird später im einzelnen in Zusammenhang mit der Erfindung erläutert werden.

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Es wurden auch von verschiedenen Forschern bereits magnetische Teilchen in Wirbelbetten eingesetzt. So ist beispielsweise in Chem. Eng. Sei. (1971), Band 26, 1293-4, von Rowe et al die Verwendung von permanentmagnetischen Teilchen für Verfahren in Wirbelbetten beschrieben, um die Strömungsrate bei beginnender Blasenbildung zu erhöhen, wobei verglichen mit nichtmagnetischen Teilchen eine 1,5-fache Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit erreicht wird. Wie später gezeigt werden wird, kann bei Einsetzen der Blasenbildung die Strömungsrate durch die erfindungsgemäße Verwendung eines gleichförmigen Magnetfeldes in spezieller Ausrichtung bis .zum mehr als 20-fachen erhöht werden. In der vorstehend genannten Vorveröffentlichung wird außerdem kein Magnetfeld an das Wirbelbett gelegt.

Wie beispielsweise der GB-PS 1 148 513, Kinet.Katal. 11, Nr. 5, 1214-19, Sept.-Okt. (1970) und Comptes Rendus De L'Academie Bulgare Des Sciences, Tome 23, Nr. 7 (1970) zu entnehmen ist, haben DvG»■ Ivanoff und seine Mitarbeiter bereits in Zusammenhang mit Verfahren in Wirbelbetten magnetische Felder benutzt, wobei ansteigende Magnetfelder verwendet wurden, um Kräfte zu erzeugen, die die feinen Teilchen in ihrer Lage hielten und somit höhere Strömungsraten als in üblichen Wirbelbetten ermöglichten. Dabei wurde die Richtung des Feldes bezogen auf die Strömungsrichtung von einer Querrichtung zur axialen Richtung verändert. Es ist jedoch klar, daß dabei nicht der besondere

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Vorteil der Verwendung eines gleichförmigen Magnetfeldes, das in der nachstehend zu erläuternden Weise in axialer Richtung bezüglich der Strömungsrichturig orientiert ist, erkannt wurde, wodurch auch nicht die später zu beschreibenden überraschenden Ergebnisse erzielt wurden.

Die Erfindung betrifft somit ein Wirbelbett, bei dem ein Fluid nach oben durch eine normalerweise nicht aufgewirbelte Menge von Festkörperteilchen mit einer zum Aufwirbeln ausreichenden Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit fließt, wobei die Festkörperteilchen eine Anzahl getrennter, diskreter, magnetisierbarer Teilchen enthält und die Festkörperteilchen einem gleichförmigen Magnetfeld ausgesetzt sind, das so orientiert ist, daß eine senkrechte Feldkomponente entsteht.

Die Größe des Magnetfeldes und seine Abweichungen aus der Vertikalen werden so gehalten, daß die Bildung von Blasen im Wirbelbett bei einer gegebenen Fluidströmungsrate und bei den gewählten aufgewirbelten Teilchen vermieden wird. Es werden daher auch die Schwierigkeiten infolge Nebenströmungen, Kanalbildungen o.a. vermieden. -

Mit dem erfindungsgemäßen Wirbelbett lassen sich Verfahren mit größerer Geschwindigkeit ohne wesentlichen Teilchenverlustes infolge Mitreißens durchführen, und die Strömungsraten des

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durchtretenden Fluids betragen das 1.0- bis 20-fache oder noch höhere der Strömungsrate des Fluids bei einsetzender: Aufwirbelung und fehlendem Magnetfeld. Es ist auch möglich, die Länge des Wirbelbettes zu verringern und damit die gleiche chemische Umsetzung in einem Verfahren zu erreichen,wie mit einem üblichen Wirbelbett entsprechend größerer Länge»

Vorzugsweise ist das Magnetfeld-in einer Richtung im wesentlichen axial zur Strömungsrichtung des Fluides gerichtet, und es ist im wesentlichen homogen, d.h. gleichförmig über das gesamte _: Volumen des Wirbelbettes. Ein derartiges Feld läßt sich zweck— mäßigerweise mittels einer stromführenden Spule herstellen, die das Wirbelbett im wesentlichen vollständig umgibt.

Ein derart magnetisch stabilisiertes Wirbelbett hat viele vorteilhafte Eigenschaften eines normalen Wirbelbettes, der Druckabfall ist gleich dem Gewicht des Bettes und unabhängig von der Strömungsrate des Fluides oder der Teilchengröße, und es wird infolge der Strömung ein kontinuierlicher Durchsatz von Feststoffteilchen ermöglicht. Außerdem haben derartige magnetisch stabilisierte Wirbelbetten einige vorteilhafte Eigenschaften eines festen Bettes; es läßt sich ein Gegenstrombetrieb erreichen, die Gasnebenflüsse sind klein oder nicht vorhanden, so daß eine hohe Umsetzung erreicht wird, und der Abrieb bzw. die Abnutzung ist minimal.

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Das gleichzeitige Vorhandensein der Eigenschaften von festen Betten und Wirbelbetten zeigt sich beispielsweise in Zusammenhang mit dem Einsatz eines magnetisch stabilisierten Wirbelbettes zum Einschluß oder Festhalten von Teilchen. Entsprechend dem Material eines festen Bettes werden die Teilchen gehalten, während entsprechend einem Wirbelbett keine Verstopfungen auftreten. Der Druckabfall des Wirbelbettes erhöht sich nur entsprechend dem Gewicht des eingeschlossenen Materials.

Eine Analyse der hydrodynamischen Stabilität zeigt, daß das Material des gleichförmig magnetisierten Wirbelbettes einem Übergang vom stabilisierten aufgewirbelten Zustand, in dem keine Blasenbildung auftritt, zu einem instabilen Bewegungszustand mit Blasen unterliegt, wobei die Bedingungen hierfür durch das folgende Stabilitätskriterium gegeben sind:

>1 instabil ^{M V} <1 stabil

Ist das Stabilitätskriterium erfüllt, dann ist sichergestellt, daß zufällige Störungen der Leerräume im Wirbelbettmaterial abklingen, so daß die Gleichförmigkeit des Wirbelbettaufbaus erhalten bleibt. N„ und N sind dimensions lose Größen, die wie

MV

folgt definiert sind:
N = <?

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N„ bezeichnet das Verhältnis der kinetischen Energie zur magneto statischen Energie der Peststoffteilchen des Bettes. § ist die

3
Teilchendichte (g/cm ), U die Gasoberflächengeschwindigkeit (cm/Sekunde) und M die Feststoffteilchenmagnetisierung (G). M ist eine Funktion des angelegten Feldes, wobei bei hohen Werten des Feldes ein Sättigungswert erreicht wird. Der Leerraummodul N hängt ab vom Leerraumanteil £» , der Sehnensuszeptibilität X₀= M/H, der Tangentensuszeptibilität X = c/m/Zh, dem Winkel #. zwischen der Strömungsrichtung und der Richtung einer Wellenstörung sowie der Ausrichtung des Magnetfeldes bezüglich der Störungswelle, welche durch den Winkel θ bezeichnet ist.

Für in Strömungsrichtung verlaufende Störungswellen ist cos o( = und N nimmt seinen größten Wert an, wobei alle anderen Parameter konstant gehalten sind. Dabei hat N„ am Übergangspunkt seinen niedrigsten Wert, so daß ein Teilchen mit der Dichte § und der Magnetisierung M den geringsten Wert der Durchtrittsgeschwindigkeit U hat. Die axiale Ausrichtung der Störungswellen ist daher die gefährlichste Ausrichtung.

Nimmt man cos ^( = 1 an, so folgt der weitere Einfluß der Feldrichtung aus der Funktionsform von N . Somit ergibt sich bei einem quer zur Strömungsrichtung angelegten Feld und einem sich daraus ergebenden cos θ von 0 ein unendlicher Wert für N. In diesem Fall gibt es keinen endlichen Wert

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von N₁,, der das Stabilitätskriterium erfüllen kann, d.h. ein quer gerichtetes Feld kann das Bett nicht stabilisieren. Bei Konstanthaltung aller anderen Parameter erhält man den niedrigsten Wert für N mit cos θ = 1. Das Magnetfeld ist also vorzugsweise parallel zur Strömungsrichtung, d.h. senkrecht gerichtet. Das vorstehend erläuterte Stabilitätskriterium bezieht sich auf ein Bettmodell mit unbegrenzter Ausdehnung. Gemessene Durchsätze bei begrenzten Betten liegen im Bereich von "gleich dem" bis "größer als der" geschätzte Durchsatz entsprechend dem genannten Kriterium. Es ist somit klar, daß die Erfindung nicht durch das vorstehend erwähnte Stabilitätskriterium eingeschränkt wird.

Im Idealfall sollte das Magnetfeld über das gesamte, die Teilchen enthaltende Material gleichförmig sein. Ein gleichförmiges Feld übt auf ein getrenntes einzelnes Teilchen oder ein gesamtes Bett von Teilchen keine wirksame Kraft aus. Die erfindungsgemäß erzielte Stabilisierung des teilchenförmigen Materials wird durch örtliche, ansteigende Magnetfeldkräfte hervorgerufen, die in dem teilchenförmigen Material in Abhängigkeit von Inhomogenitäten in dessen Verteilung entstehen. In der Praxis weist jedes angelegte Feld Ungleichförmigkeiten auf. Ein ausreichend gleichförmiger Zustand des stabilisierten Materials bei Vorhandensein eines stabilisierten Zustandes kann durch ausreichend kleine, systematische Kräfte magnetischen Ursprungs

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sichergestellt werden. Drückt man dies durch das Verhältnis der magnetischen Gradientenkraft zur externen Kraft infolge Schwerkraft aus, so ergibt sich

ν - ^ <Th/cTs

^NF ~ " g~~

wobei CT* = M/4ITJ* ^und «Γη/c/s der Gradient der Feldintensität in einer Richtung s ist. Somit läßt sich ein Kriterium für N„

wie folgt schreiben:

<0,10 senkrecht

<O,O1 horizontal

Das Material des Wirbelbettes hat eine größere Toleranzbreite für vertikale Schwankungen der Feldintensität, da "sich die örtlichen Leerräume und die Gaswiderstandskräfte zur Anpassung an Schwankungen in den auf das Material ausgeübten aufgeprägten Kräfte ändern können. Dieser Effekt fehlt jedoch bei zu beseitigenden horizontalen Änderungen der Kraft. Außerdem wird die Intensität des angelegten Magnetfeldes über den Bereich des stabilisierten Materials vorzugsweise gleichförmig gehalten, um einen räumlich gleichförmigen übergang des stabilisierten Materials durch das Bett sicherzustellen. In Abhängigkeit von der Feldschwankung A H und der mittleren Feldstärke H in einem Bereich kann dieses Kriterium wie folgt ausgedrückt werden:

n_h = Δη/η

N_H <1,25

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In jedem Anwendungsfall muß das strengere der beiden Kriterien für K„ und N„ erfüllt sein.

C H

Der größte Bereich für ein stabiles Bettmaterial wird erreicht, wenn das angelegte Feld gleichförmig ist. Wenn also ein Feld mit einer im wesentlichen senkrechten Komponente zugeführt wird, um das aufgewirbelte Material zu stabilisieren, darf die Schwankung der senkrechten Komponente des Magnetfeldes bezogen auf das mittlere Feld im Bett nicht mehr als 125 %, vorzugsweise nicht mehr als 50 % und in besonders bevorzugter Weise nicht mehr als 10 % betragen. Wie nachstehend erläutert werden wird, hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß sich zeitlich nicht ändernde senkrechte Felder gegenüber sich zeitlich ändernden Feldern zu bevorzugen sind, d.h. bevorzugterweise wird statt eines Wechselstroms ein Gleichstrom zur Erregung des Elektromagneten benutzt, der das senkrecht gerichtete Magnetfeld erzeugt. Da die erforderliche Leistung für ein gegebenes mittleres Feld bei gleichförmigeren Magnetfeldern geringer ist, sollte die Schwankung des sich ändernden Magnetfeldes bezogen auf das mittlere Magnetfeld im Bett nicht mehr als 100 %, vorzugsweise weniger als 50 % und in besonders bevorzugter Weise weniger als 10 % betragen. Ganz allgemein läßt sich sagen, daß die Neigung zur Bildung eines homogenen Bettmaterials um so größer ist, je größer die Gleichförmigkeit des angelegten Feldes ist. Gewisse spezielle Einflüsse einer ungleichförmigen

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Feldverteilung werden später in Zusammenhang mit den Beispielen 3, 6 und 8 erläutert.

Ein räumlich gleichförmiges Gleichfeld mit einer ihm überlagerten räumlich gleichförmigen Wechselkomponente verhält sich im wesentlichen wie ein Gleichfeld, falls die Gleichfeldintensität wesentlich größer ist als die Amplitude der Wechselkomponente des Feldes.

Die aufgewirbelten Teilchen enthalten magnetisierbare Feststoffteilchen. Aus ökonomischen Gründen und aus Anpassungsgründen haben diese Teilchen eine niedrige Koerzitivkraft oder eine Koerzitivkraft von 0. Alle ferromagnetischen und ferrimagnetischen Stoffe einschließlich magnetischem Fe-O-, Jf^-Eisenoxid (Fe-O,), Chromdioxid, Ferrite der Form XO-Fe₃O₃, wobei X ein Metall wie Zn, Mn, Cu oder eine Metallmischung ist, sowie ferromagnetische Elemente mit Eisen, Nickel, Kobalt und Gadolinium und Legierungen ferromagnetischer Elemente können in Zusammenhang mit der Erfindung als Teilchenmaterial benutzt werden. Je größer die Magnetisierung M des Teilchens ist, desto größer ist die Übergangsgeschwindigkeit u., bis zu der sich, bei Konstanthaltung aller anderen Faktoren, das Bett ohne Blasenbildung betreiben läßt. Vorzugsweise hat eine Art der magnetisierbaren Teilchen des teilchenförmigen Materials eine Magnetisierung von mindestens 10 G. J-

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Das aufgewirbelte Teilchenmaterial kann im wesentlichen 100 % der vorstehend erwähnten magnetisierbaren Feststoffteilchen enthalten oder einen Zusatz derartiger magnetisierbarer Feststoffteilchen zu nichtmagnetisierbarem Material aufweisen. So kann beispielsweise Kieselsäure, Aluminium/ andere Metalle, Katalysatoren, Kohlenstoff o.a. mit den vorstehend erwähnten Feststoffteilchen gemischt werden, wobei sich immer noch der

^rfindungsgemäße Vorteil ergibt. Vorzugsweise ist jedoch der

i ,
Volumenanteil an magnetisierbaren Teilchen größer als 25 %.

Im anderen Fall könnte sich die Teilchenmischung entsprechend Flüssigkeiten mit begrenzter Lösbarkeit trennen.

Vorzugsweise hat das aufgewirbelte Material eine Teilchengröße von 0,001 mm bis 50 mm, insbesondere von 0,05 mm bis 1,0 mm. Teilchen größerer Abmessungen lassen sich selbstverständlich schwer aufwirbeln, während kleinere Teilchen schlecht in einem Wirbelvorgang gehalten werden können.

Das aufgewirbelte Material gemäß der Erfindung läßt sich vorteilhafterweise für unterschiedlichste Anwendungszwecke verwenden, beispielsweise katalytisches Cracken, Fluidhydroformieren, Isomerisieren, Verkoken, Polymerisieren, Hydrofinieren, Alkylieren, teilweises Oxydieren, Chlorieren, Dehydrieren, Desulfurieren oder Reduzieren, Vergasen von Kohle, Wirbelbettverbrennung von Kohle, Verschwelen von ölschiefer u.a. In jedem

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der vorstehend erwähnten Verfahren kommen die Vorteile der ruhigen Strömung zum Tragen, wenn das aufgewirbelte Material gemäß der Erfindung in diesem Verfahren eingesetzt wird.

Es hat sich gezeigt, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines stabilisierten, aufgewirbelten Materials im allgemeinen sehr einfach in einem Wirbelbettreaktor ausführen läßt, der einen Behälter zur Aufnahme des Bettes, ein Bett aus aufwirbelbaren Feststoffteilchen, die eine Vielzahl getrennter, diskreter magnetisierbarer Teilchen enthalten, ein das Bett aufwirbelndes Medium, vorzugsweise ein Gas, sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufweist, die mit dem Behälter derart verbunden ist, daß das- Magnetfeld im wesentlichen das Gesamtvolumen des Wirbelbettes durchsetzt, gleichförmig ist und eine im wesentlichen senkrechte Komponente für den Fluidstrom durch das Wirbelbett hat. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

Beispiel 1

10 g eines ferromagnetischen, Nickel enthaltenden Katalysators, der unter der Bezeichnung Girdler G87RS von der Firma Chemetron Corporation geliefert wird, wurde in eine oben offene, rechteckförmige Wirbelkammer eingebracht, die einen lichten Querschnitt von 2,54 cm χ 3,81 cm hatte und deren Höhe oberhalb

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eines porösen, aus Bronze bestehenden Stützgitters eine Höhe von 15,24 cm aufwies. Der Katalysator wurde zuvor gemahlen und gesiebt, so daß sich ein Teilchengrößenbereich von 0,15 mm bis 0,42 mm ergab. Der genannte Kondensator enthält 40 Gew.% Nickel auf einem Refraktorträger, wobei 45 % bis 60 % dieses Nickels in elementarer Form vorhanden sind. Das Material ist vom Hersteller vorreduziert und gegen Oxydation stabilisiert.

Es hat einen Oberflächenbereich von 55 m /g und eine OberflächenteiIchendichte von 1,3 g/cm . Die Sättigungsmagnetisierung des Materials wurde mit einem Schwingprobenmagnetometer zu 14,2 cmu/g bestimmt.

Das Wirbelbett war koaxial von einem Elektromagneten aus zwei mit Gleichstrom gespeisten Feldspulen umgeben, die in Reihe geschaltet waren und ein Feld gleicher Richtung erzeugten. Beide Spulen hatten einen Innendurchmesser von 15,24 cm und einen Wicklungsquerschnitt von 10,16 cm, wobei die Endflächen der Spulen 3,81 cm voneinander entfernt waren. Die Spulen zeigten über eine Länge von 15,24 cm des Prüfbereiches ein gleichförmiges, axial gerichtetes Feld von 80 Oe je Ampere. Das Feld wurde mit einer Hall-Sonde abgetastet, und es wurde festgestellt, daß das Feld im Prüfbereich innerhalb von - 5 % der mittleren axialen Größe gleichförmig und innerhalb von - 1 % über den Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung gleichförmig war. Die Mittelebene der Spulen befand sich 40 mm oberhalb des oberen Endes des Stützgitters.

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Wurde den Spulen kein Strom zugeführt und damit also ein Feld der Größe 0 angelegt, so ergab sich für das Bett aus Katalysatorteilchen bei einer Oberflächengeschwindigkeit eine Anfangsauf wirbelung, d.h. die volumetrische Strömungsrate geteilt durch den Querschnitt der leeren Säule von 2,6 cm/s. Bevor die Oberflächengeschwindigkeit auf 2,7 cm/s erhöht werden konnte, bildeten sich im Bett kontinuierlich Blasen. Damit hat das unmagnetisierte Bett praktisch keinen Arbeitsbereich, und im aufgewirbelten Zustand sind Blasen vorhanden.

Bei dem vorstehenden Versuch wurde der Punkt der Anfangsaufwirbelung durch Messung der Druckdifferenz über dem Feld mittels eines Ölmanometers bestimmt, das an einem Druckanschluß unterhalb des Stützgitters angeschlossen war, und die Ablesungen wurden um die Gitterdruckdifferenz bei Fehlen von Teilchen in der Kammer korrigiert. Auf diese Weise wurde festgestellt, daß die Druckdifferenz multipliziert mit der Querschnittsfläche des Bettes und geteilt durch das Gewicht der Teilchen des Bettes einheitlich eins war, wie dies bei der Anfangsaufwirbelung der Fall sein soll, und daß die Druckdifferenz einen errechneten Maximalwert durchläuft und dann bei zunehmenden Strömungsraten im wesentlichen konstant bleibt.

Das Magnetfeld wurde an das Bett angelegt und die Strömungsgeschwindigkeit bzw. -rate der Luft von 0 bis auf einen Wert

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erhöht, bei dem die Blasenbildung begann, was durch optische Beobachtung festgestellt wurde. Der Obergang in den Blasenzustand tritt bei einem definierten Strömungswert ein, der für jede Größe des angelegten Feldes reproduzierbar ist. Eine Anzahl derartiger Werte sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Tabelle 1

angelegtes Feld Oberflächenübergangsgeschwin- Betthöhe (Oe) digkeit (cm/s) (mm)

O 2,6 23

125 21 29

280 27 34

400 34 36

520 43 37

680 51 37

Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß sich bei Vergrößerung des magnetischen Feldes die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit erhöht, bei der der übergang in den blasenbildenden Zustand eintritt. Bei der maximalen magnetischen Feldstärke des angelegten Feldes von 680 Oe war die Übergangsströmungsrate bzw. -geschwindigkeit der Luft infolge der magnetischen Stabilisierung 19,6 mal größer als bei einem unmagnetisierten anfänglichen Wirbelbett.

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Bei Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten zwischen der Anfangsströmungsrate von 2,6 cm/s und den Übergangsraten bzw. Geschwindigkeiten gemäß Tabelle 1 schweben leichte Gegenstände, beispielsweise Korken oder ein hohler Zelluloidball in einem derartigen Wirbelbett. Werden derartige Gegenstände in das Wirbelbett eingetaucht und dann freigegeben, so schweben sie sofort zur Oberfläche des Wirbelbettes, falls im Wirbelbett keine Blasen vorhanden sind. Wird der Ball gedreht, so behält er außerdem seine Drehbewegung für mehrere Sekunden bei, woraus sich die geringe Reibungskraft der aufgewirbelten Teilchen bei diesem stabilisierten Zustand ergibt.

Wenn die Strömung durch das stabilisierte Material - zunimmt, dehnt sich das Wirbelbett in erheblichem Umfang aus. Die maximale Ausdehnung des stabilisierten Wirbelbettes bei verschiedenen Größen des angelegten Feldes ist in der letzten Spalte in Tabelle 1 angegeben. Das Wirbelbett dehnt sich bis zu 66 % über die Höhe des zusammengefallenen Bettes aus. Hohe Wirbelbetten dehnen sich weniger aus als flache Betten.

Die Erfindung schafft eine neue Materialzusammensetzung mit einzigartigen Eigenschaften. In Fig. 1 sind entsprechend thermodynamische Eigenschaften in Form eines Phasendiagramms dargestellt. Die Ordinate U, die die Oberflächengeschwindigkeit oder den Bewegungseinfluß darstellt, bezeichnet die analoge

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Größe der thermodynamischen Temperatur T, während die die Feldstärke H zeigende Abszisse der analogen Größe des thermodynamischen Druckes P entspricht. Zum Zeichnen der Kurve AB wurden die Werte aus Tabelle 1 verwendet, die die Oberflächengeschwindigkeit am Übergangspunkt vom stabilen "flüssigen" Zustand L zum blasenbildenden, "dampfförmigen" Zustand V angeben. Die Kurve AB entspricht somit der Siedepunktskurve einer echten Flüssigkeit, und das hydrodynamische, neutrale Stabilitätskriterium von N_MN_V = 1 ist analog der Clausius-Calpeyronschen Beziehung für die thermodynamische Phasenänderung. Die Kurve AC bezeichnet die minimale Aufwirbelungsgeschwindigkeit und trennt den Bereich des festen Bettes oder den analogen Bereich der Feststoffe S vom analogen Flüssigkeitsbereich L. Somit ist die Kurve AC analog einer Schmelzpunktkurve. Die Kurve durch den Nullpunkt von A nach D bezeichnet die normale Aufwirbelung beim Fehlen eines Feldes, wobei die Blasenbildung praktisch am Aufwirbelungspunkt A erfolgt und kein stabiler Arbeitsbereich vorhanden ist. Bei Betrieb mit irgendeiner Feldstärke und nach unten gerichteter Strömung ist das Erreichen des "festen" Zustandes S oder des Zustandes eines festen Bettes sichergestellt. Somit erkennt man, daß der Bereich L einen breiten neuen Abschnitt darstellt, in dem die neue Zusammensetzung des Wirbelbettes wirksam wird und in dem ein neues Wirbelbettmedium vorhanden ist, das bisher für den Kontakt von Gasen mit Feststoffen oder für andere technologische Aufgaben nicht zur Verfügung stand.

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Die neue Zusammensetzung hat ein gleichförmiges Schuttgewicht, und Spalte 3 aus Tabelle 1 zeigt, daß entgegen dem üblichen aufwirbelbaren Material das Schuttgewicht sehr einfach durch Änderung der Strömungsrate bzw. Geschwindigkeit des aufwirbelnden Gases kontinuierlich eingestellt werden kann.

Auch die Transporteigenschaften der neuen Zusammensetzung sind eigenartig. So ist beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit wesentlich geringer als bei normalem aufgewirbeltem Material. Am Übergangspunkt des Material ergibt sich ein Phasenübergang zu blasenbildendem, aufgewirbeltem Material mit einer erheblichen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit. Außerdem sind beispielsweise die Fließeigenschaften, die elektrischen Eigenschaften u.a. völlig unterschiedlich.

In Zusammenhang mit Beispiel 4 wird später gezeigt werden, daß das erfindungsgemäße Material anders als normales aufgewirbeltes Material im Bereich L begrenzte Löslichkeitseigenschaften aufweist, wie dies bei echten Flüssigkeiten der Fall ist.

Beispiel 2 -

In diesem Beispiel lag die Richtung des magnetischen Feldes quer zur Strömungsrichtung der Luft. Das Feld wurde mit einem Paar keramischer Permanentmagnetplatten erzeugt, deren Polflächen 15,24 cm χ 7,62 cm groß waren und die jeweils eine

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Dicke von 1,27 cm hatten. Die Flächen waren 3,81 cm voneinander entfernt, und die Magneten erzeugten im Prüfbereich ein gleichförmiges Magnetfeld von 570 - 20 Oe. Die Mittelebene der magnetischen Platten befand sich 2,54 cm oberhalb dem Stützgitter.

Das Wirbelbett und die Materialteilchen waren die gleichen wie im Beispiel 1.

Die Reaktion des Wirbelbettes auf die Zunahme der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit der Luft ist in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2 Quergerichtetes Feld

OberflächenströmungsgeFeldstärke geschwindig- Betthöhe Blasen-(Oe) keit (cm/s) (mm) Aufwirbelung bildung

570	0	22	nein	nein
570	0,6	25	nein	nein
570	1,2	26	nein	nein
570	1,8	28	nein	nein
570	2,8^{a)	29	ja	ja

* Anfangsaufwirbelung

Tabelle 2 zeigt, daß ebenso wie im Beispiel 1, in dem das Feld senkrecht ausgerichtet war, das magnetisierte Bett sich in

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Abhängigkeit von dem zunehmenden Strom des Trägergases bzw. der Luft ausdehnt. Entgegen dem Bett mit senkrechtem Feld wird jedoch im vorliegenden Fall kein Bereich einer stabilen Aufwirbelung erreicht. Insoweit verhält sich dieses Bett ähnlich einem nichtmagnetisierten Bett. Am Punkt der Anfangsaufwirbelung, und zwar in diesem Versuch bei 2,8 cm/s erfolgte somit

der übergang in den aufgewirbelten Zustand, der mit einem

!gleichzeitigen Übergang in den blasenbildenden Zustand ver-

bunden war.

Die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit, bei der bei diesem Versuch die Aufwirbelung eintrat, ist mit der Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit vergleichbar, bei der im Beispiel 1 eine Aufwirbelung des unmagnetisierten Bettes eintrat. Wurde eine Feldstärke von 570 Oe in axialer Richtung angelegt, so folgt aus den Ergebnissen des Beispiels 1 durch Interpolation, daß der übergang in den blasenbildenden Zustand nicht früher als bei einer Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit von 45,5 cm/s einsetzt, d.h. einer Strömungsrate, die 16 mal größer ist als diejenige, bei der die Blasenbildung tatsächlich auftrat.

Bei allen Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten von mehr als 2,8 cm/s ergaben sich im Bett erhebliche Verzögerungen bzw. Umlenkungen mit einer regellosen Strömung. Bei allen Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten unterhalb von 2,8 cm/s konnte im

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Bettmaterial ein Prüfkorken nicht schwimmen oder schweben.

Es ist bekannt, daß auf ein einzelnes magnetisierbares Teilchen, das in ein gleichförmiges Magnetfeld gebracht wird, keine Kraft ausgeübt wird, um eine Kraft auszuüben, muß das magnetisierbare Teilchen einem sich ändernden Feld ausgesetzt werden. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein gleichförmiges Magnetfeld verwendet. Wenn sich daher eine ünglexchförmigkeit der Leerräume im Bettmaterial entwickelt, wird die Gleichförmigkeit des Feldes örtlich gestört, und es werden Feldgradienten erzeugt, die Koerzitivkräfte ausüben, die das Material in den anfänglichen, gleichförmigen Zustand zurückbewegen. Ein sich änderndes magnetisches Feld in horizontaler Richtung kann verhindern, daß das Material" in einen aufgewirbelten Zustand kommt, wie dies im Beispiel 3 erläutert werden wird.

Beispiel 3

Eine 2,54 cm χ 3,81 cm χ 15,24 cm Wirbelbettkammer mit den G87RS-Wirbelbetteilchen aus Beispiel 1 wurde dem Magnetfeld eines keramischen Permanentmagneten mit einer Größe von 5,08 cm χ 2,54 cm χ 0,95 cm ausgesetzt, wobei die Magnetisierungsrichtung durch die Abmessung von 0,95 cm verlief. Das Magnetfeld des Magneten in verschiedenen Stellungen entlang der Senkrechten von der Mitte der 5,08 cm χ 2,54 cm Polfläche des Magneten ist in Tabelle 3 angegeben. Die Änderung des Magnetfeldes in

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Querrichtung über das Bett beträgt etwa 168 % bezogen auf das mittlere Feld.

Tabelle 3 Lage s (0,64 cm) Magnetfeld H (Oe)

0 420

1 340

2 220

3 150 .

4 90

Im Bereich der angegebenen Lagen ist der Feldgradient nahezu konstant und erzeugt eine maximale Kraft, die etwa 1,3 mal größer als die Schwerkraft ist, quer zur Strömungsrichtung. Dieses Kraftverhältnis wurde aus der Beziehung (41T^g) MdH/ds unter der Annahme, daß der Wert M= 168 G beträgt^ berechnet,

wobei g = 980 cm/s

Oe/cm angegeben ist.

2 3

wobei g = 980 cm/s und ξ = 1,3 g/cm betragen und dH/ds in

Die 5,08 cm χ 2,54 cm Polfläche des Magneten wurde nahe an die Außenseite der 0,64 cm starken Wand des Behälters und an verschiedene Stellen entlang des Bettmaterials gebracht. Als Ergebnis davon ergab sich eine Verhinderung der Aufwirbelung bei allen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. -raten im Bereich von 0 bis 60 cm/s. Das angelegte ungleichförmige Magnetfeld

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legte die Teilchen gegeneinander und die Behälterwand fest, so daß eine Aufwirbelung verhindert wurde.

Die Brauchbarkeit des magnetisch stabilisierten Materials wird durch Zusätze magnetisierbarer Feststoffteilchen mit nicht magnetisierbaren Teilchen erweitert, wie dies im nächsten Beispiel gezeigt werden wird. Erfindungsgemäß ist die Neigung !der Teilchen, sich infolge der magnetischen Anziehungskraft des angelegten Feldes zu trennen minimal, da das angelegte Feld vorzugsweise gleichförmig ist. Dadurch können Mischungen aufgewirbelt und stabilisiert werden, wobei sich das gewünschte tibergangsverhalten und die gewünschten Wirbelbettausdehnungseigenschaften ergeben. Somit können statt vollständig aus magnetischen Teilchen bestehenden Wirbelbetten auch Mischungen bei den stabilisierten Wirbelbettverfahren eingesetzt werden.

Beispiel 4

Aus dem nickelimprägnierten Katalysator mit einer durch Sieben bestimmten Teilchengröße von 0,18 mm bis 0,25 mm und einem Zeolithcrackkatalysator mit Teilchengrößen von weniger als 0,07 mm wurde eine Mischung hergestellt und bis zu einer Höhe von 25 mm in den Wirbelbettbehälter gemäß Beispiel 1 gefüllt. Zum Anlegen eines magnetischen Feldes bestimmter Größen wurde die Spulenanordnung aus Beispiel 1 benutzt. In den Tabellen 4 und 5 sind die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit und die

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Bettausdehnung bei übergang vom stabilen aufgewirbelten Zustand in den blasenbildenden Zustand angegeben.

	O	angelegtes Feld (Oe) 100 300 500	21	33	(cm/s)
	2,5	7	12	19	700
Tabelle 4	3,0	4	3	5	37
	«cO,2	1	—	—	24
Übergangsgeschwindigkeit der Mischungen	<CO,2	—		6
magnetische Teilchen (Gew.%)	—
100
75
50
O

Tabelle

Bettausdehnung der Mischungen beim übergang (% der Anfangsbetthöhe)

magnetische Teilchen (Gew.%)

100 75 50 0

	angelegtes Feld	300	(Oe)	700
0	100	58	500	70
2	27	37	68	45
3	18	18	43	23
<1	10	22

Mischungen mit einem Anteil von 25 Gew.% magnetischer Teilchen blieben während der Aufwirbelung nicht homogen vermischt. Diese Erscheinung, die der begrenzten Vermischbarkeit von Flussig-

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keitsmischungen ähnelt, muß je nach Art der Mischung der Wirbelbetteilchen einzeln bestimmt werden.

Der Anwendungsbereich magnetisch stabilisierter Teilchenzusammensetzungen dieser Art erstreckt sich unter anderem auf die absorptive oder adsorptive Trennung von Dampfanteilen, katalytische Vorgänge und Regenerationen, Teilchenfiltrationen und nachfolgende Reinigung des Wirbelbettes, Reaktionen von Feststoffteilchen in sich bewegenden Wirbelbetten und ähnliche Anwendungen, bei denen die Feststoffteilchen des Bettes in Abhängigkeit von den aufgewirbelten Feststoffen, die als ein in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz strömendem Medium wirken, dem Bett zugeführt und von ihm weggeführt werden. Das folgende Beispiel zeigt, daß den Feststoffteilchen gemäß der Erfindung in einem Umfang fluidartige Eigenschaften gegeben werden, die sie besonders für derartige Transporte geeignet machen.

Beispiel 5

In einem hohen, zylindrischen Wirbelbettbehälter aus durchsichtigem Kunststoff mit einem Innendurchmesser d, von 7,37 cm und einer Wandstärke von 0,44 cm wurde eine kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser d von 0,83 cm erzeugt. Der Mittelpunkt dieser öffnung befand sich 7,5 cm oberhalb des oberen Endes des porösen Stützgitters des Bettes. Magnetische Feststoffe

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des Materials G87RS mit Teilchengrößen zwischen 0,25 mm und 0,42 mm wurden zu Versuchszwecken dem Bett zugesetzt, wobei die anfängliche Betthöhe L von 8,0 cm bis 14,2 cm über die Mitte der Öffnung verändert wurde. Die Oberflächenluftgeschwindigkeit war bei allen Versuchen konstant und betrug 15,6 cm/s. Das Bett war von zwei Elektromagneten mit einem Innendurchmesser von

\
15,24 cm umgeben, die ein gleichförmiges, axial gerichtetes Magnetfeld erzeugten, wobei das bei diesen Versuchen angelegte Feld zu beiden Seiten der Öffnung gleiche Größe hatte. Wurde die Öffnung durch Entfernen eines Verschlußstopfens plötzlich freigegeben, so zeigte sich, daß der Bettinhalt als genau definierter Strahl austrat.

Bei einem anderen Versuch ohne aufwirbelnden Luftstrom und ohne angelegtes Feld ergab sich, daß das Pulver die Öffnung sofort verstopfte und nicht aus eigenem Antrieb durch die Öffnung hindurchtrat.

Tabelle 6 zeigt die Versuchsergebnisse für den Austritt der stabilisierten, aufgewirbelten Feststoffteilchen durch die Öffnung. Die Zeit für den Feststoffteilchenaustritt bis zu einer Höhe von L von 4,0 cm oberhalb der Mitte der Öffnung wurde mittels einer Stoppuhr gemessen und der Austrittskoeffizient C wie folgt berechnet:

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■ 2

wobei T die Zeitspanne und g = 980 cm/s die Erdbeschleunigung ist. Die Tabelle zeigt, daß der Austrittskoeffizient unabhängig von der anfänglichen Betthöhe oder der Größe des angelegten Magnetfeldes in dem untersuchten Bereich konstant war und zwischen 0,14 und 0,15 lag.

Tabelle 6

Austrittskoeffizient (dimensionslos) für die Strömung aus einem Wirbelbett magnetisch stabilisierter Fest-. stoff teilchen

Größe des angelegten Feldes (Oe) Austrittszeit (s) 80 400

0,15 0,14

0,15 0,15

0,14 0,15

0,14

	2,6
9,5	6,0
10,4	6,4
1	9,0
1	20,6
1
1

In der US-PS 3 440 731 ist ein Beispiel für die Verwendung eines Magnetfeldes zur Stabilisierung eines Wirbelbettes beschrieben. In diesem Beispiel wird, ebenso wie bei der Erfindung, ein in der Strömungsrichtung axial ausgerichtetes Feld verwendet. Mit der Erfindung wird jedoch infolge des Einsatzes eines gleichförmigen Magnetfeldes ein großer Stabilitätsbereich des Bettes erzielt.

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In der US-PS 3 440 731 wird wiederholt darauf hingewiesen, daß das Magnetfeld auf die magnetisierbaren Teilchen eine Kraft ausübt. Wie bereits erwähnt, ist es allgemein bekannt, daß ein gleichförmiges Magnetfeld auf ein magnetisierbares Teilchen innerhalb dieses Feldes keine Kraft ausübt. Die US-Patentschrift zeigt offensichtlich nicht, daß ein gleichförmiges Magnetfeld, das keine Kraft ausübt, die Auf wirbelung Zweckmäßig beeinflussen kann, und sie gibt auch keinerlei Anregungen in dieser Richtung. Es ist daher neu und vollständig überraschend, daß sich durch die Verwendung eines keine Kraft ausübenden, gleichförmigen Magnetfelds ein verbessertes Wirbelbett erzielen läßt. In unmittelbarem Widerspruch zu der US-Patentschrift ist eine notwendige Bedingung für die Erfindung, daß das Magnetfeld ausreichend gleichförmig ist, um geringe oder keine Kräfte' auszuüben, wodurch sich das Wirbelbett mit den neuen Eigenschaften ergibt. Wird ein nicht gleichförmiges Magnetfeld verwendet, so übt das Feld auf die aufgewirbelten Teilchen eine Kraft aus, durch die eine Ungleichförmigkeit in der Teilchenverteilung hervorgerufen wird, was offensichtlich unerwünscht ist.

Um das verbesserte Verhalten infolge der erhöhten Gleichförmigkeit des Feldes zu zeigen, wurde die Vorrichtung gemäß US-PS 3 440 731 nachgebaut und die im nachfolgenden Beispiel beschriebenen Vergleichsversuche durchgeführt.

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Beispiel 6

Aus Kupferdraht wurde eine Wicklung mit einem Innendurchmesser von 5,08 cm und einem quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 3,18 cm gewickelt. Bei Zufuhr eines 60 Hz-Stroms von 1,25 A wurde über den Anschlußklemmen der Wicklung eine

Spannung von 0,95 V gemessen. Der Widerstand betrug 0,76

2 und damit die von der Wicklung verbrauchte Leistung (I R) 1,2 W. Eine 1,43 cm oberhalb des oberen Endes der Wicklung angeordnete Hall-Sonde maß eine Feldstärke von 34 G. An der gleichen Stelle wurde gemäß der US-PS 3 440 731 eine Feldstärke von 365 G, d.h. das etwa 10-fache des ermittelten Wertes gemessen. Es ist bekannt, daß das von einer Spule mit einem gegebenen Leiter und gegebener Geometrie erzeugte Feld nur von der zugeführten Leistung abhängt. Nimmt man aus dem Beispiel der US-PS als zutreffend an, daß diese Spule ebenfalls 1,2 W entsprechend einem Strom von 0,8 A und einem Widerstand von 1,9 verbrauchte, so müßte das Feld kleiner sein. Es scheint so, daß die in der US-Patentschrift angegebene Feldstärke einen zehnmal größeren Strom oder eine hundertmal größere Leistung erfordern würde als erwähnt. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, daß die angegebene Feldstärke übertrieben ist.

Trotz der vorstehend erwähnten Diskrepanzen wurde ein Bettaufbau entsprechend der US-Patentschrift hergestellt, der 192 g Kohlenstoffstahl-KugeIn mit einem Durchmesser von 0,32 cm ent-

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hielt, die in eine oben offene, zylindrische, aus Glas bestehende Wirbelbettkammer mit einem Innendurchmesser von 3,81 cm und einer Höhe von 61 cm eingebracht wurden. Am unteren Ende der Säule verringerte sich der Durchmesser und dort war ein Gaseinlaß mit verringertem Durchmesser eingepaßt. Nahe dem Boden der Säule wurden vom sich verjüngenden Abschnitt mehrere Lagen eines gewebten Gitters aus rostfreiem Stahl mit öffnungen von etwa 0,32 cm Durchmesser gehalten. Die Gitterlagen waren so angeordnet, daß ihre Gitterachsen nicht senkrecht zueinander fluchteten, um so als kombiniertes Stützgitter für die Kugeln und als Verteilungsplatte für das das Material aufwirbelnde Medium zu dienen. Diese Vorrichtung entspricht der Vorrichtung gemäß der US-PS 3 440 731.

Das obere Ende des ruhenden Bettes aus Kugeln erstreckte sich 6,35 cm über die obere Gitterschicht.

Die Spule wurde koaxial bezüglich der Wirbelbettsäule gehalten, wobei die Mittelebene der Spule sich 11,43 cm oberhalb der oberen Gitterschicht befand.

Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. -rate wurde ein Rotadurchflußmesser benutzt, dem von einer geregelten Quelle Druckluft zugeführt wurde.

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Die Ergebnisse einer Anzahl von Versuchen, die den Einfluß der üngleichförmigkeit des Feldes auf die Wirbelbettstabilisierung zeigen, sind in Tabelle 7 angegeben.

Beim Fehlen eines Magnetfeldes wird das Bett bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 2,65 m/s aufgewirbelt, wie dies durch die Bewegung der Kugeln an der Bettoberfläche angezeigt !wird. Bei 2,8 m/s führt das Bettmaterial eine ümlaufbewegung

aus, bei der das Material in der Mitte ansteigt und an den Wänden nach unten gelangt. Bei einer Geschwindigkeit von 3,20 m/s pulsierte das Bett bis zu einer Höhe von 10 mm. Bei weiterer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. -rate ergab sich, daß das Bettmaterial zum Pulsieren bis zu irgendeiner gewünschten Höhe innerhalb der Säule gebracht werden konnte. Der Wert von 3,20 m/s wurde als Bezugsgeschwindigkeit angenommen, und in der letzten Spalte von Tabelle 7 sind die schrittweisen Erhöhungen der Oberflächengeschwindigkeit bezogen auf das angelegte Magnetfeld angegeben.

Befand sich der Magnet oberhalb des Bettes, so betrug die üngleichförmigkeit des Feldes 165 % (Tabellen 7 und 8). Ein Vergleichsversuch bei einer Ungleichförmigkeit von 51 % entsprach einer Lage des Magneten auf Höhe des Mittelpunktes des Bettes. Bei einem weiteren Versuch mit einer Ungleichförmigkeit von 11 % wurde ein anderer Magnet mit einer 15,24 cm Bohrung und einer Länge von 10,16 cm verwendet.

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Tabelle 7

Einfluß der -räumlichen Gleichförmigkeit eines Wechselfeldes auf das Pulsieren eines Bettes aus 0,32 cm Stahlkugeln

	Versuch	mittleres Feld (G)	Höhe	Ungleichförmigke des Feldes (%)	Oberflächengeschwindigkeit (:	_\| Geschwindig keitsschritt
o>	4391-14	0			it Pulsier-, . ^(c' bewegung ^K '	0
(D CO	4391-15	35	165^(d)	3,20	0,46
7/1	4391-19	36	51	3,66	0,42
co	3459-51 ..	35	11	4,08	0,31
	^(a) 10 mm		4,39

^ ' mittleres Feld = (maximales Feld im Bett - minimales Feld im Bett)/2

(C) (d)

Ungleichförmigkeit des Feldes = (maximales Feld im Bett - minimales Feld im Bett) χ 100/mittleres Feld

entspricht der Ungleichförmigkeit im Beispiel der US-PS 3 440 731

NJ Ol -f>cn

CD

Tabelle 8 Parameter des Magnetfeldes

Versuch

O	' 4391-14
CO
OO ' -JL	4391-15
-4
	4391-19
	3459-51

Magnet

Höhe der Magnetmitte über dem Gitter (cm)

5,08 mm Bohrung 11,43

5,08 mm Bohrung 3,18

15,24 mm Bohrung 3,18

Strom (A)

0 3 1 0,58

Magnetfeld (Oe)

Mittel- Ungleich-

Maximum Minimum wert förmigkeit
im Bett im Bett im Bett (%)

(a)

(b)

(c)

0	(a)	,(d)	0	(a)	0
6	(d)	,(d)	35		165
27	(b)	36		51
33	(b)	35		11

(a)

^v ' Hintergrundfeld im Labor von 0,5 G nicht berücksichtigt.

(b)

(C)

(d)

obere Fläche des Bettes

Mitte des Bettes

unteres Ende des Bettes

In allen Fällen bewirkte das angelegte Magnetfeld eine Verzögerung des Pulsierens zu höheren Werten des Gasdurchtrittes.

Bei allen Versuchen wurde festgestellt, daß das Bettmaterial . vor dem Einsetzen des Pulsierens des Bettes zirkulierte. Im allgemeinen ist dies bei der Verwendung von stabilisierten Betten unerwünscht und erfordert eine erhebliche Abstufung oder eine sehr gute" Gegenstromberührung. Es ist zu vermuten, daß die Ursache für das Zirkulieren im niedrigen Druckabfall über dem Stützgitter bezogen auf den Druckabfall über dem Bett begründet ist. Das in der US-Patentschrift beschriebene Gitter mit einer Maschenweite von 0,32 cm wurde durch das im nachfolgenden Beispiel beschriebene Gitter mit einer Maschenweite von 0,15 mm ersetzt und dadurch die Schwierigkeiten beseitigt.

Da gemäß der US-PS 3 440 731 ein von einem Wechselstrom erzeugtes Magnetfeld benutzt wird, kehrt sich die Richtung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Zeit um. Wenn die Teilchen des Bettes eine nennenswerte Remanenz aufweisen, kann die Umkehr der Feldrichtung zu einer Drehung oder Bewegung der Teilchen führen, die bestrebt sind*, sich in Richtung des Feldes auszurichten. Das nachfolgende Beispiel zeigt den schädlichen Einfluß, den ein Wechselmagnetfeld auf die Stabilität derartiger aufgewirbelter Feststoffteilchen ausüben kann.

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Beispiel 7

Die im vorstehenden Beispiel erwähnte Wirbelbettkammer wurde dadurch abgewandelt, daß das grobe Gitter entfernt und ein Gitter mit einer Maschenweite von 0,15 nm eingesetzt wurde, das Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 0,25 mm und 0,42 mm hält. Auf das Gitter wurden 0,64 mm Kunststoffkugeln aufgebracht, um eine gleichförmige Strömungsverteilung sicherzustellen. Unter Verwendung eines Schwingprobenmagnetometers wurde der erste Quadrant der Hystereseschleife des G87RS-Pulvers bestimmt. Das Sättigungsmoment betrug bei 3500 G 13,8 e.m.u./g und die Remanenz betrug etwa 3 e.m.u./g. G87RS-Pulver wurde in einer Höhe von 39 mm auf das Gitter aufgebracht, und unter Verwendung von Gleichstrom und danach von Wechselstrom zur Erregung des im vorstehenden Beispiel beschriebenen Magneten mit einem Querschnitt von 3,18 mm χ 3,18 mm wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 9 angegeben. Dabei wird in Zusammenhang mit den Wechselstrom-Versuchen hier unter der Bezeichnung "Übergangsgeschwindigkeit" das Auftreten eines Pulsierens der Oberfläche des Bettes trotz fehlender echter Aufwirbelung verstanden .

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Tabelle 9

Einfluß eines Wechsel- und eines Gleichfeldes auf das Oberflächenpulsieren eines Remanenz aufweisenden,

magnetischen Pulvers

Spitzenfeld ^ib) (G)	Übergangsgeschwindigkeit (cm/s) Gleichfeld Wechselfeld	13,0
O	13,0	7,1
30	15,5	7,8
60	17,8	9,3
90	20,5	10,0
120	22,4

G87RS-Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 0,25 mm und 0,42 mm in einer Höhe von 39 mm.

20 % Ungleichförmigkeit von Gleich- und von Wechselfeld über das Bettvolumen.

Aus Tabelle 9 ergibt sich, daß durch die Verwendung eines Gleichfeldes die Übergangsgeschwindigkeit des Pulverbettes erhöht Wird, während bei Einsatz eines Wechselfeldes die Übergangsgeschwindigkeit gegenüber dem Wert, der bei fehlendem Feld gemessen wird, verringert ist. Daraus folgt, daß ein Wechselfeld für die Herstellung eines stabilisierten Wirbelbettes unerwünscht ist.

Die Erfindung unterscheidet sich somit deutlich von der Offenbarung der US-PS 3 440 731, gegenüber der erfindungsgemäß zeitlich konstante Magnetfelder bevorzugt werden.

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Im·Idealfall kann sich ein einzelnes Teilchen eines Wirbelbettes in diesem infolge vernachlässigbarer Berührung mit Nachbarteilchen mit minimaler Reibung drehen. Berücksichtigt man die Winkelverschiebung eines ein remanentes Moment aufweisenden Wirbelbetteilchens in Abhängigkeit von der durch das sich umkehrende Feld erzeugten Magnetkraft, wobei die Drehung des Teilchens allein durch die Trägheitskraft beeinträchtigt wird, so ergibt sich ein Kriterium für den Bereich, in dem ein Wechselfeld eine nennenswerte Drehung des Teilchens erzeugt und damit vermutlich die Stabilität des Wirbelbettes beeinträchtigt. Dieses Kriterium lautet wie folgt:

>1 instabil

^Nc ^c . <1 stabil,

wobei

ist. Dieses Kriterium gilt für Feldfreguenzen, die kleiner sind als die Dauer des Wirbelbettbetriebes. Somit werden Wirbelbetten, auf die ein Gleichfeld wirkt und die die größte Stabilität haben, nicht von diesem Kriterium beschrieben. In der Formel ist G^ das remanente Moment in e.m.u./g, H das angelegte Feld in Oe, R der äquivalente Kugelradius des Teilchens in cm und f die Frequenz in Hz. In Tabelle 10 sind die Bedingungen der Beispiele 6 und 7 verglichen, wobei sich ergibt,

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daß das vorstehende Kriterium die Ergebnisse dieser Versuche korrekt vorhersagt. Das Kriterium wird somit vorgeschlagen, um die Kombinationen von magnetischem Moment und Größe des Teilchens sowie Stärke und Frequenz des Magnetfeldes einzugrenzen, die eine Stabilisierung des Wirbelbettes für ein Wechselfeld ermöglichen. Die Stabilität bei angelegtem Wechselfeld erfordert große Texlchengrößen, hohe Frequenz und kleine Remanenz.

Tabelle 10

Stabilität aufgewirbelter Feststoffteilchen in einem

Wechselfeld

Bettmaterial

Teilchengröße R(cm) Remanenzmoment CT (e.m.u./g) Feldstärke H (Oe) Frequenz f (Hz) N (errechnet) Vorhersage Feststellung

Beispiel 6	Beispiel 7
Eisenkugeln	Katalysator pulver
0,16	0,021
1/5	3,0
35	30
60	60
0,13	11
stabil	instabil
stabil -	instabil

Beispiel 3 zeigte bereits den sehr schädlichen Einfluß, den ein nennenswerter Feldgradient in Querrichtung auf die Auf-

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wirbelbarkeit eines Bettes aus magnetisierbarer! Teilchen hatte. Im folgenden Beispiel wird gezeigt, daß bei Anlegen eines in der Senkrechten gerichteten Feldes zur Erzielung des größtmöglichen Stabilitätsbereiches des Bettes bei geringstem Verbrauch an elektrischer Energie ein Magnetfeld bevorzugt wird, das so gleichförmig wie möglich ist.

Beispiel 8

Zur Erzeugung unterschiedlicher Werte der Ungleichförmigkeiten des Feldes bei verschiedenen konstanten Werten des mittleren Feldes, das an das Volumen eines Bettes aus G87RS-Feststoffteilchen mit einer Teilchengröße zwischen 0,25 mm und 0,42 mm mit einer Betthöhe von 39 mm angelegt wurde, wurden verschiedene Formen der Magnete, der Magnetlagen bezüglich dem Behälter und verschiedene Erregungsströme benutzt. Als Magneten wurden diejenigen verwendet, die in den vorstehenden Beispielen beschrieben wurden. Das Bett befand sich im Inneren einer Glassäule mit einem Innendurchmesser von 3,81 cm.

Die Betriebsbedingungen und die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefaßt, aus der sich ergibt, daß das mittlere Feld bei'einem Versuch auf 0 Oe, 4O Oe, etwa 120 Oe oder 400 Oe eingestellt war und daß entsprechend die Änderung des Feldes über dem Volumen des Bettes bei einem Versuch 136 %, 17 % oder 4 % betrug. Die übergangsgeschwindigkeit wurde dadurch ermittelt, daß man bei einem Bett, dessen Inhalt zuvor bei

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Fehlen eines Magnetfeldes belüftet worden war, die Strömungsrate bzw. -geschwindigkeit feststellte, bei der ein konstantes Pulsieren an der Oberfläche auftrat, nachdem ein Magnetfeld angelegt wurde. In der letzten Spalte in Tabelle 11 ist die Breite des Stabilitätsbereiches gemessen in Geschwindigkeitseinheiten zwischen der normalen Aufwirbelgeschwindigkeit des Bettes und einer Geschwindigkeit angegeben, bei der der übergang zur Blasenbildung eintritt. Bei einem niedrigen mittleren Feld von 40 Oe, bei dem der Stabilitätsbereich sehr schmal ist, nämlich etwa 4 Geschwindigkeitseinheiten (cm/s) , ermöglicht die Genauigkeit der Daten keine Rückschlüsse bezüglich des Einflusses der Ungleichförmigkeit des Feldes auf den Übergang. Bei einem mittleren Feld von etwa 120 Oe zeigt sich jedoch, daß das Feld mit einer Schwankung von 4 % einen nichtblasenbildenden Bereich von doppelter Größe stabilisiert als ein Feld mit einer Ungleichförmigkeit von 17 % oder 136 %. Das gleiche deutliche Verhalten ergibt sich bei den Versuchen mit einem mittleren Feld von 400 Oe, bei denen der Stabilitätsbereich bei einer räumlichen Schwankung des angelegten Feldes von 4 % sich über eine Breite von 29,1 cm/s erstreckt, während bei einem Feld mit einer Ungleichförmigkeit von 17 % der Stabilitätsbereich auf nur 17,8 cm/s verringert ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß zusätzlich zu den vorteilhaften Eigenschaften bei Einsatz eines gleichförmigen Feldes auch

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Tabelle 11

Einfluß eines axialen Feldes mit axialer Ungleichförmigkeit auf den Übergang
eines Bettes aus G87RS-Teilchen einer Größe von 0,25 mm bis 0,42 mm in den

blasenbildenden Zustand (k)

	Versuch,	Magnet-	Erregungs	mittleres Ungleichförmig-, _λ	) keit des Feldes^vw	Ober	x 31,8 cm Querschnitt, Toroidform	Bohrung im Abstand von	3,18 cm	Geschwindig-
	Nr. ^(c'	' form'^a'	strom (A)	Feld(c;	(%)	flächen	15,24 cm	Stützgitters		keits-Stabili
	47:20	keine	0,0	(Oe)	0	übergang	11,43 cm oberhalb des			tätsbereich
	50:A	T/A	9,0	0	136	13,2	in Bettmitte	(cm/s)
	47:24	T/C	1,0	40	17	17,8		0,0
α»	49:B	R/C	0,5	40	4	16,6	4,6
ο				40		17,3	3,4
to	50:C	T/A	25,0		136		4,1
00	47:25	T/C	3,0	111	17	21 ,3
	49:D	R/C	1,5	120	4	21,9	8,1
--3	50:E	T/C	10,0	120	17	30,8	8,7
	47:10	R/C	5,0	400	4	31,0	17,6
ii	(a) _Tl		5,08 cm Bohrung, 31,8 cm	400		42,3	17,8
CD	R:		zwei Elektromagneten mit	29,1
	A:	Magnetmitte
	C:	Maanetmitte

Höhe des ruhenden Bettes 39 mm oberhalb dem Stützgitter mit 0,15 mm Maschenweite
Definition in den Fußnoten zu Tabelle 8

der Leistungsverbrauch für den Betrieb des Elektromagneten erheblich verringert wird. So wird beispielsweise, wie sich aus Tabelle 11 ergibt, bei einem mittleren Feld von 120 Oe sowohl bei 136 % Ungleichförmigkeit als auch bei 17 % Ungleichförmigkeit ein äquivalenter Stabilitätsbereich erzielt, jedoch der Leistungsverbrauch unter der Annahme eines unver-'änderten Widerstands der Spule ist um das Quadrat des Strom-

Verhältnisses vergrößert. Daraus errechnet sich ein (25/3) oder 69,4-facher Leistungsverbrauch bei 136 % Ungleichförmigkeit des Feldes gegenüber einem Feld mit 17 % Ungleichförmigkeit.

Bei den vorstehenden Erläuterungen wurde davon ausgegangen, daß die Wirbelbettkammer in einem Schwerkraftfeld betrieben wird. Es ist jedoch klar, daß das Wirbelbett gemäß der Erfindung auch in anderen Kraftfeldern erzeugt werden kann, wenn nur die Strömungsrichtung des aufwirbelnden Gases entgegengesetzt zur Richtung des äußeren Kraftfeldes verläuft. So kann das Kraftfeld durch die Zentrifugalkräfte in einem rotierenden System oder, bei geladenen Teilchen durch die elektrischen Kräfte eines elektrostatischen Systems .oder, bei elektrisch polarisiertem Material durch die dielektrophoretischen Kräfte eines elektrostatischen Feldes mit einem Feldgradienten oder durch die Kräfte infolge eines Magnetfeldgradienten oder durch die Lorentz-Kraft infolge eines elektrischen Stromflusses

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unter einem Winkel zu einem Magnetfeld oder durch irgendwelche anderen Feldkräfte oder Kombinationen von diesen erzeugt werden.. In jedem Fall ergibt sich ein stabiles Wirbelbett mit den thermodynamisch analogen Eigenschaften, den Transporteigenschaften sowie den anderen Eigenschaften, die bereits vorstehend beschrieben wurden.

Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Wirbelbett sich in seiner Zusammensetzung über die gesamte Ausdehnung eines Bettes erstrecken kann oder aber gegebenenfalls auch nur an Punkten oder Bereichen innerhalb des Bettes vorhanden sein kann. Dabei wird unter "Punkt" ein solcher örtlicher Bereich verstanden, dessen Abmessungen groß im Vergleich zum Abstand zwischen den Teilchen und klein im Vergleich zu den übrigen Abmessungen des Bettes ist.

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Claims

P atentan spr üche

Wirbelbett mit einem aus Feststoffteilchen bestehenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Vielzahl von getrennten, diskreten magnetisierbaren Teilchen enthält und durch einen Gasstrom, der entgegengesetzt zu einem äußeren Kraftfeld auf das Material wirkt, aufgewirbelt wird und daß das Material sich in einem angelegten Magnetfeld befindet, das ausreichend gleichförmig ist, so daß die auf irgendeinen Punkt vom Magnetfeld entlang der Richtung des äußeren Kraftfeldes auf die magnetisierbaren Teilchen ausgeübte Kraft geringer als 10 % der vom äußeren Kraftfeld an dieser Stelle ausgeübten Kraft ist, wobei die vom Magnetfeld in Richtung senkrecht zur Richtung des äußeren Kraftfeldes ausgeübte Kraft geringer ist als 1 % der vom äußeren Magnetfeld ausgeübten Kraft, daß das Magnetfeld eine wesentliche Komponente in Richtung des äußeren Kraftfeldes aufweist, so daß das Material eine Magnetisierungskomponente in Richtung des äußeren Feldes hat, die größer ist als 10 G, und daß sich die Stärke des Magnetfeldes über den vom Material eingenommenen Bereich um nicht mehr als 125 % ändert.
2. Wirbelbett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Kraftfeld durch die Schwerkraft gebildet ist.

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3. Wirbelbett nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße der Feststoffteilchen zwischen 0,05 und 1,0 mm liegt.

4. Wirbelbett nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffteilchen zwischen 25 Vol.% und 100 Vol.% magnetisierbare Teilchen enthalten.

5. Wirbelbett nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld im wesentlichen axial zur Strömungsrichtung des Gases gerichtet ist.

6. Wirbelbett nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld zeitlich unveränderlich ist.

7. Wirbelbett nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des Magnetfeldes über den vom Material eingenommenen Bereich um weniger als

50 % ändert.

8. Wirbelbett nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des Magnetfeldes um weniger als 10 % ändert.

9. Wirbelbett nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierbaren Teilchen Nickel enthalten.

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10. Wirbelbett nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material einen Zeolithcrackkatalysator enthält.

11. Verfahren zum Stabilisieren eines Wirbelbettes, das ein aus Feststoffteilchen bestehendes Material enthält, das eine Vielzahl getrennter, diskreter, magnetisierbarer Teilchen aufweist, und welches von einem entgegen der Richtung eines auf das Material wirkenden äußeren Kraftfeldes fließenden Gasstroms aufgewirbelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einem angelegten Magnetfeld ausgesetzt wird, das ausreichend gleichförmig ist, um an jedem Punkt entlang der Richtung des äußeren Kraftfeldes auf die magnetisierbaren Teilchen eine Kraft auszuüben, die geringer ist als 10 % der vom äußeren Kraftfeld an jedem Punkt ausgeübten Kraft, dessen Kraft senkrecht zur Richtung des äußeren Kraftfeldes geringer ist als 1 % der von diesem äußeren Kraftfeld ausgeübten Kraft, das eine in Richtung des äußeren Kraftfeldes verlaufende wesentliche Komponente aufweist, so daß das Material in Richtung des äußeren Kraftfeldes eine Magnetisierungskomponente von mehr als 10 G aufweist und dessen Stärke sich über den vom Material eingenommenen Bereich um nicht mehr als 125 % ändert.

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1.2. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als äußeres Kraftfeld die Schwerkraft benutzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß Feststoffteilchen mit einer Teilchengröße von 0,05 mm bis 1,0 mm verwendet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein teilchenförmiges Material verwendet wird, das 25 Vol.% bis 100 Vol.f magnetisierbarer Teilchen enthält.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld im wesentlichen axial zur Strömungsrichtung des Gases ausgerichtet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Magnetfeld zeitlich nicht ändert.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des Feldes in dem vom Material eingenommenen Bereich um weniger als 50 % ändert.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des Feldes um weniger als 10 % ändert.

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19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel enthaltende magnetisierbare Teilchen verwendet werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Zeolithcrackkatalysator enthaltendes, teilchenförmiges Material verwendet wird.

21. Vorrichtung zur Erzeugung eines Wirbelbettes mit einem

Behälter zur Aufnahme von aufwirbelbaren Feststoffteilchen, die eine Anzahl getrennter, diskreter magnetisierbarer Teilchen enthalten und dem ein das Bett aufwirbelndes Gas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen das gesamte Volumen des Wirbelbettes gleichförmig durchdringenden Magnetfeldes, das eine im wesentlichen senkrechte Komponente hat.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelderzeugungseinrichtung einen das Wirbelbett koaxial umgebenden Elektromagneten enthält.

su:kö

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