DE2545192C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 34 40 731 ist ein Verfahren zum Betreiben einer magnetisierbare Teilchen enthaltenden Wirbelschicht bekannt. Die Wirbelschicht ist in einem Reaktor enthalten, der von einem Magneten umgeben ist, so daß sie einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Ein Transport der Wirbel­ schicht durch den Reaktor ist nicht vorgesehen.

Aus der US-PS 34 39 899 ist es bekannt, das in einem Reaktor enthaltene, magnetisierbare Feststoffteilchen aufweisende Wirbelbett mit Hilfe des Wechselfeldes eines Elektromagneten zu stabilisieren, der mit Wechselstrom gespeist wird.

Aus der GB-PS 11 48 513 ist es ebenfalls bekannt, das Wirbelbett eines Reaktors mit Hilfe von Magnetkraft zu stabilisieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß das Wirbel­ bett im Betrieb des Reaktors ausgetauscht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das gleichzeitige Vorhandensein der Eigenschaften von festen Betten und Wirbelbetten zeigt sich beispielsweise im Zusammen­ hang mit dem Einsatz eines magnetisch stabilisierten Wirbel­ bettes zum Einschluß oder Festhalten von Teilchen. Entspre­ chend dem Material eines festen Bettes werden die Teilchen gehalten, während entsprechend einem Wirbelbett keine Ver­ stopfungen auftreten. Der Druckabfall des Wirbelbettes erhöht sich nur entsprechend dem Gewicht des eingeschlossenen Mate­ rials.

Wenngleich die Erfindung nicht an irgendeine Theorie gebunden werden soll, wird im folgenden zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung eine theoretische Erklärung angeboten.

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

Ist das Stabilitätskriterium erfüllt, dann ist sichergestellt, daß zufällige Störungen der Leerräume im Wirbelbettmaterial abklingen, so daß die Gleichförmigkeit des Wirbelbettaufbaus erhalten bleibt. N _M und N _v sind dimensionslose Größen die wie folgt definiert sind:

und

N _M bezeichnet das Verhältnis der kinetischen Energie zur magneto­ statischen Energie der Feststoffteilchen des Bettes. ϑ ist die Teilchendichte (g/cm³), 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 _v hängt ab vom Leerraumanteil ε _o, der Sehnensuszeptibilität χ _o = M/H, der Tangentensuszeptibilität δ M/ δ H, dem Winkel γ zwischen der Strömungsrichtung und der Richtung einer Wellen­ störung sowie der Ausrichtung des Magnetfeldes bezüglich der Störungswelle, welche durch den Winkel R bezeichnet ist.

Für in Strömungsrichtung verlaufende Störungswellen ist cos γ = 1 und N _v nimmt seinen größten Wert an, wobei alle anderen Para­ meter konstant gehalten sind. Dabei hat N _M am Übergangspunkt seinen niedrigsten Wert, so daß ein Teilchen mit der Dichte ϑ und der Magnetisierung M den geringsten Wert der Durchtritts­ geschwindigkeit U hat. Die axiale Ausrichtung der Störungs­ wellen ist daher die gefährlichste Ausrichtung.

Nimmt man cos γ =1 an, so folgt der weitere Einfluß der Feldrichtung aus der Funktionsform von N _v. Somit ergibt sich bei einem quer zur Strömungsrichtung angelegten Feld und einem sich daraus ergebenden cos R von 0 ein unendlicher Wert N _v. In diesem Fall gibt es keinen endlichen Wert von N _M, der das Stabilitätskriterium erfüllen kann, d. h. ein quer gerichtetes Feld kann das Bett nicht stabilisieren. Bei Konstanthaltung aller anderen Parameter erhält man den niedrig­ sten Wert für N _v mit cos R =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 Stabilitäts­ kriterium eingeschränkt wird.

Im Idealfall sollte das Magnetfeld über das gesamte, die Teil­ chen enthaltende Material gleichförmig sein. Ein gleichförmiges Feld übt auf ein getrenntes einzelnes Teilchen oder ein ge­ samtes Bett von Teilchen keine wirksame Kraft aus. Die erfin­ dungsgemäß 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 aus­ reichend gleichförmiger Zustand des stabilisierten Materials bei Vorhandensein eines stabilisierten Zustandes kann durch ausreichend kleine, systematische Kräfte magnetischen Ursprungs sichergestellt werden.

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 Schwan­ kung 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 Magnet­ feld 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 besonderes 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 Feldverteilung werden später in Zusammenhang mit den Beispielen 3, 6 und 8 erläutert.

Ein räumlich gleichförmiges Gleichfeld mit einer ihm überlager­ ten 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 Feststoff­ teilchen. Aus ökonomischen Gründen und aus Anpassungsgründen haben diese Teilchen eine niedrige Koerzitivkraft oder eine Koerzitivkraft von O. Alle ferromagnetischen und ferrimagneti­ schen Stoffe einschließlich magnetischem Fe₃O₄, γ-Eisenoxid (Fe₂O₃), Chromdioxid, Ferrite der Form XO-Fe₂O₃, wobei X ein Metall wie Zn, Mn, Cu oder eine Metallmischung ist, sowie ferromagnetische Elemente mit Eisen, Nickel, Kobalt und Gado­ linium 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 _t, 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.

Das aufgewirbelte Teilchenmaterial kann im wesentlichen 100% der vorstehend erwähnten magnetisierbaren Feststoffteilchen enthalten oder einen Zusatz derartiger magnetisierbarer Fest­ stoffteilchen zu nichtmagnetisierbarem Material aufweisen. So kann beispielsweise Kieselsäure, Aluminium, andere Metalle, Katalysatoren, Kohlenstoff o. ä. mit den vorstehend erwähnten Feststoffteilchen gemischt werden, wobei sich immer noch der erfindungsgemäße Vorteil ergibt. Vorzugsweise ist jedoch der 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 vor­ teilhafterweise für unterschiedlichste Anwendungszwecke ver­ wenden, beispielsweise katalytisches Cracken, Fluidhydroformie­ ren, Isomerisieren, Verkoken, Polymerisieren, Hydrofinieren, Alkylieren, teilweises Oxydieren, Chlorieren, Dehydrieren, Desulfurieren oder Reduzieren, Vergasen von Kohle, Wirbelbett­ verbrennung von Kohle, Verschwelen von Ölschiefer u. ä. In jedem 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 aus­ führen 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, recht­ eckförmige Wibelkammer eingebracht, die einen lichten Quer­ schnitt von 2,54 cm × 3,81 cm hatte und deren Höhe oberhalb 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 Katalysator 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 m²/g und eine Ober­ flächenteilchendichte von 1,3 g/cm³. Die Sättigungsmagnetisie­ rung des Materials wurde mit einem Schwingprobenmagnetometer zu 14,2 emu/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.

Wurde den Spulen kein Strom zugeführt und damit also ein Feld der Größe 0 angelegt, so ergab sich für das Bett aus Kataly­ satorteilchen bei einer Oberflächengeschwindigkeit eine Anfangs­ aufwirbelung, d. h. die volumetrische Strömungsrate geteilt durch den Querschnitt der leeren Säule von 2,6 cm/s. Bevor die Ober­ flächengeschwindigkeit auf 2,7 cm/s erhöht werden konnte, bilde­ ten sich im Bett kontinuierlich Blasen. Damit hat das unmagneti­ sierte Bett praktisch keinen Arbeitsbereich, und im aufgewirbel­ ten Zustand sind Blasen vorhanden.

Bei dem vorstehenden Versuch wurde der Punkt der Anfangsauf­ wirbelung durch Messung der Druckdifferenz über dem Feld mittels eines Ölmanometers bestimmt, das an einem Druckanschluß unter­ halb 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 errechne­ ten Maximalwert durchläuft und dann bei zunehmenden Strömungs­ raten im wesentlichen konstant bleibt.

Das Magnetfeld wurde an das Bett angelegt und die Strömungs­ geschwindigkeit bzw. -rate der Luft von 0 bis auf einen Wert erhöht, bei dem die Blasenbildung begann, was durch optische Beobachtung festgestellt wurde. Der Übergang in den Blasen­ zustand tritt bei einem definierten Strömungswert ein, der für jede Größe des angelegten Feldes reproduzierbar ist. Eine Anzahl derartiger Werte sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

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 ange­ legten Feldes von 680 Oe war die Übergangsströmungsrate bzw. -geschwindigkeit der Luft infolge der magnetischen Stabilisie­ rung 19,6mal größer als bei einem unmagnetisierten anfänglichen Wirbelbett.

Bei Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten zwischen der Anfangs­ strömungsrate von 2,6 cm/s und den Übergangsraten bzw. Geschwin­ digkeiten gemäß Tabelle 1 schweben leichte Gegenstände, bei­ spielsweise Korken oder ein hohler Zelluloidball in einem der­ artigen Wirbelbett. Werden derartige Gegenstände in das Wirbel­ bett 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 maxi­ male Ausdehnung des stabilisierten Wirbelbettes bei verschie­ denen 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 Wirbel­ betten dehnen sich weniger aus als flache Betten.

Die Erfindung schafft eine neue Materialzusammensetzung mit einzigartigen Eigenschaften. In Fig. 1 sind entsprechend thermo­ dynamische Eigenschaften in Form eines Phasendiagramms darge­ stellt. Die Ordinate U, die die Oberflächengeschwindigkeit oder den Bewegungseinfluß darstellt, bezeichnet die analoge Größe der thermodynamischen Temperatur T, während die die Feld­ stärke H zeigende Abszisse der analogen Größe des thermo­ dynamischen Druckes P entspricht. Zum Zeichnen der Kurve AB wurden die Werte aus Tabelle 1 verwendet, die die Oberflächen­ geschwindigkeit am Übergangspunkt vom stabilen "flüssigen" Zustand L zum blasenbildenden, "dampfförmigen" Zustand V an­ geben. Die Kurve AB entspricht somit der Siedepunktskurve einer echten Flüssigkeit, und das hydrodynamische, neutrale Stabilitätskriterium von N _MN_V = 1 ist analog der Clausius- Clapeyronschen Beziehung für die thermodynamische Phasenände­ rung. Die Kurve AC bezeichnet die minimale Aufwirbelungsge­ schwindigkeit und trennt den Bereich des festen Bettes oder den analogen Bereich der Feststoffe S vom analogen Flüssig­ keitsbereich L. Somit ist die Kurve AC analog einer Schmelz­ punktkurve. Die Kurve durch den Nullpunkt von A nach D be­ zeichnet die normale Aufwirbelung beim Fehlen eines Feldes, wobei die Blasenbildung praktisch am Aufwirbelungspunkt A er­ folgt und kein stabiler Arbeitsbereich vorhanden ist. Bei Be­ trieb 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.

Die neue Zusammensetzung hat ein gleichförmiges Schüttgewicht, und Spalte 3 aus Tabelle 1 zeigt, daß entgegen dem üblichen aufwirbelbaren Material das Schüttgewicht sehr einfach durch Änderung der Strömungsrate bzw. Geschwindigkeit des aufwirbeln­ den 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 Phasenüber­ gang zu blasenbildendem, aufgewirbeltem Material mit einer erheblichen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit. Außerdem sind beispielsweise die Fließeigenschaften, die elektrischen Eigen­ schaften u. a. völlig unterschiedlich.

Im Zusammenhang mit Beispiel 4 wird später gezeigt werden, daß das erfindungsgemäße Material anders als normales aufgewirbel­ tes 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×7,62 cm groß waren und die jeweils eine Dicke von 1,27 cm hatten. Die Flächen waren 3,81 cm voneinander entfernt, und die Magneten erzeugten im Prüfbereich ein gleich­ förmiges Magnetfeld von 570±20 Oe. Die Mittelebene der magne­ tischen 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

Tabelle 2 zeigt, daß ebenso wie im Beispiel 1, in dem das Feld senkrecht ausgerichtet war, das magnetisierte Bett sich in 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 Auf­ wirbelung erreicht. Insoweit verhält sich dieses Bett ähnlich einem nichtmagnetisierten Bett. Am Punkt der Anfangsaufwirbe­ lung, 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 16mal 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 Strömungs­ raten bzw. -geschwindigkeiten unterhalb von 2,8 cm/s konnte im Bettmaterial ein Prüfkorken nicht schwimmen oder schweben.

Es ist bekannt, daß auf ein einzelnes magnetisierbares Teil­ chen, das in ein gleichförmiges Magnetfeld gebracht wird, keine Kraft ausgeübt wird. Um eine Kraft auszuüben, muß das magneti­ sierbare Teilchen einem sich ändernden Feld ausgesetzt werden. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise ein gleichförmiges Magnet­ feld verwendet. Wenn sich daher eine Ungleichförmigkeit der Leerräume im Bettmaterial entwickelt, wird die Gleichförmig­ keit 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×3,81 cm×15,24 cm Wirbelbettkammer mit den G87RS-Wirbelbetteilchen aus Beispiel 1 wurde dem Magnetfeld eines keramischen Permanentmagneten mit einer Größe von 5,08 cm×2,54 cm×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×2,54 cm Polfläche des Magneten ist in Tabelle 3 angegeben. Die Änderung des Magnetfeldes in Querrichtung über das Bett beträgt etwa 168% bezogen auf das mittlere Feld.

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 1,3mal größer als die Schwerkraft ist, quer zur Strömungsrichtung. Dieses Kraftverhältnis wurde aus der Beziehung (4πϑ g) ^-1 MdH/ds unter der Annahme, daß der Wert M = 168 G beträgt, berechnet, wobei g = 980 cm/s² und ϑ = 1,3 g/cm³ betragen und dH/ds in Oe/cm angegeben ist.

Die 5,08 cm×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 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 Bei­ spiel 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 Übergangsverhalten und die gewünschten Wirbelbettausdehnungs­ eigenschaften 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 Bettausdehnung bei Übergang vom stabilen aufgewirbelten Zustand in den blasenbildenden Zustand angegeben.

Tabelle 4

Übergangsgeschwindigkeit der Mischungen (cm/s)

Tabelle 5

Bettausdehnung der Mischungen beim Übergang (% der Anfangsbetthöhe)

Mischungen mit einem Anteil von 25 Gew.-% magnetischer Teilchen blieben während der Aufwirbelung nicht homogen vermischt. Diese Erscheinung, die der begrenzten Vermischbarkeit von Flüssig­ keitsmischungen ähnelt, muß je nach Art der Mischung der Wirbel­ betteilchen einzeln bestimmt werden.

Der Anwendungsbereich magnetisch stabilisierter Teilchen­ zusammensetzungen 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 Ab­ hängigkeit 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 durch­ sichtigem Kunststoff mit einem Innendurchmesser d _b von 7,37 cm und einer Wandstärke von 0,44 cm wurde eine kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser d _o 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 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 _o von 4,0 cm oberhalb der Mitte der Öffnung wurde mittels einer Stoppuhr gemessen und der Austritts­ koeffizient C wie folgt berechnet:

wobei T die Zeitspanne und g = 980 cm/s² die Erdbeschleuni­ gung ist. Die Tabelle zeigt, daß der Austrittskoeffizient un­ abhängig 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 stoffteilchen

Das obige Beispiel und die Tabelle zeigen, daß die stabili­ sierten fluidisierten Feststoffe nach Art einer Flüssigkeit fließen und deshalb leichter zwischen und innerhalb von Reak­ tionsgefäßen transportierbar sind. In keiner der zum Stand der Technik gehörenden Druckschriften ist eine Messung oder ein Versuch beschrieben worden, der dieses Verhalten zeigt. Vor der Erfindung war dieses Verhalten der magnetisch stabi­ lisierten Festkörper unbekannt.

Vergleichsbeispiele

In der US-PS 34 40 731 ist ein Beispiel für die Verwendung eines Magnetfeldes zur Stabilisierung eines Wirbelbettes be­ schrieben. In diesem Beispiel wird, ebenso wie bei der Erfin­ dung, ein in der Strömungsrichtung axial ausgerichtetes Feld verwendet. Mit der Erfindung wird jedoch infolge des Einsatzes eines gleichförmigen Magnetfeldes ein großer Stabilitätsbe­ reich des Bettes erzielt.

In der US-PS 34 40 731 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 gleichför­ miges Magnetfeld, das keine Kraft ausübt, die Aufwirbelung 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 Magnetfeldes ein verbessertes Wirbel­ bett 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 Gleichförmig­ keit des Feldes zu zeigen, wurde die Vorrichtung gemäß US-PS 34 40 731 nachgebaut und die im nachfolgenden Beispiel be­ schriebenen Vergleichsversuche durchgeführt.

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 und damit die von der Wicklung verbrauchte Leistung (I²R) 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 34 40 731 eine Feldstärke von 365 G, d. h. das etwa 10fache 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 ange­ gebene Feldstärke übertrieben ist.

Trotz der vorstehend erwähnten Diskrepanzen wurde ein Bett­ aufbau entsprechend der US-Patentschrift hergestellt, der 192 g Kohlenstoffstahl-Kugeln mit einem Durchmesser von 0,32 cm ent­ 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 Gas­ einlaß 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 34 40 731.

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.

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

Beim Fehlen eines Magnetfeldes wird das Bett bei einer Ober­ flächengeschwindigkeit 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 Umlaufbewegung 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 Ungleichförmigkeit des Feldes 165% (Tabellen 7 und 8). Ein Vergleichsversuch bei einer Ungleichförmigkeit von 51% ent­ sprach einer Lage des Magneten auf Höhe des Mittelpunktes des Bettes. Bei einem weiteren Versuch mit einer Ungleichförmig­ keit von 11% wurde ein anderer Magnet mit einer 15,24 cm Bohrung und einer Länge von 10,16 cm verwendet.

Tabelle 7

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

Tabelle 8

Parameter des Magnetfeldes

In allen Fällen bewirkte das angelegte Magnetfeld eine Ver­ zögerung 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 nach­ folgenden Beispiel beschriebene Gitter mit einer Maschenweite von 0,15 mm ersetzt und dadurch die Schwierigkeiten beseitigt.

Da gemäß der US-PS 34 40 731 ein von einem Wechselstrom er­ zeugtes Magnetfeld benutzt wird, kehrt sich die Richtung des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Zeit um. Wenn die Teil­ chen 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 aus­ üben kann.

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 mm eingesetzt wurde, das Pulver mit einer Teilchengröße zwischen 0,25 mm und 0,42 mm hält. Auf das Gitter wurden 0,64 mm Kunststoffkugeln aufge­ bracht, um eine gleichförmige Strömungsverteilung sicherzu­ stellen. Unter Verwendung eines Schwingprobenmagnetometers wurde der erste Quadrant der Hystereseschleife des G8RS-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×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 "Über­ gangsgeschwindigkeit" das Auftreten eines Pulsierens der Ober­ fläche des Bettes trotz fehlender echter Aufwirbelung ver­ standen.

Tabelle 9

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

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

Die Erfindung unterscheidet sich somit deutlich von der Offen­ barung der US-PS 34 40 731, gegenüber der erfindungsgemäß zeitlich konstante Magnetfelder bevorzugt werden.

Im Idealfall kann sich ein einzelnes Teilchen eines Wirbel­ bettes in diesem infolge vernachlässigbarer Berührung mit Nachbarteilchen mit minimaler Reibung drehen. Berücksichtigt man die Winkelverschiebung eines ein remanentes Moment auf­ weisenden Wirbelbetteilchens in Abhängigkeit von der durch das sich umkehrende Feld erzeugten Magnetkraft, wobei die Drehung des Teilchens allein durch die Trägheitskraft beein­ trächtigt 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:

wobei

ist. Dieses Kriterium gilt für Feldfrequenzen, die kleiner sind als die Dauer des Wirbelbettbetriebes. Somit werden Wirbel­ betten, auf die ein Gleichfeld wirkt und die die größte Stabi­ lität haben, nicht von diesem Kriterium beschrieben. In der Formel ist σ _r das remanente Moment in e.m.u./g, H das ange­ legte Feld in Oe, R der äquivalente Kugelradius des Teilchens in cm und f die Frequenz in Hz. In Tabelle 10 sind die Bedin­ gungen der Beispiele 6 und 7 verglichen, wobei sich ergibt, 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 einzu­ grenzen, die eine Stabilisierung des Wirbelbettes für ein Wechselfeld ermöglichen. Die Stabilität bei angelegtem Wechsel­ feld erfordert große Teilchengrößen, hohe Frequenz und kleine Remanenz. Wie aus dem obigen Beispiel hervorgeht, kann die Verwendung eines Wechselfeldes für die Stabilität der flui­ disierten magnetisierten Festkörperteilchen verheerend sein.

Tabelle 10

Stabilität aufgewirbelter Feststoffteilchen in einem Wechselfeld

Beispiel 3 zeigte bereits den sehr schädlichen Einfluß, den ein nennenswerter Feldgradient in Querrichtung auf die Auf­ wirbelbarkeit eines Bettes aus magnetisierbaren Teilchen hatte. Im folgenden Beispiel wird gezeigt, daß bei Anlegen eines in der Senkrechten gerichteten Feldes zur Erzielung des größtmög­ lichen Stabilitätsbereiches des Bettes bei geringstem Ver­ brauch 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-Feststoff­ teilchen mit einer Teilchengröße zwischen 0,25 mm und 0,42 mm mit einer Betthöhe von 39 mm angelegt wurde, wurden verschie­ dene Formen der Magnete, der Magnetlagen bezüglich dem Behälter und verschiedene Erregungsströme benutzt. Als Magneten wurden diejenigen verwendet, die in den vorstehenden Beispielen be­ schrieben wurden. Das Bett befand sich im Inneren einer Glas­ säule 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, 40 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 er­ mittelt, daß man bei einem Bett, dessen Inhalt zuvor bei Fehlen eines Magnetfeldes belüftet worden war, die Strömungs­ rate 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 Geschwindigkeits­ einheiten zwischen der normalen Aufwirbelgeschwindigkeit des Bettes und einer Geschwindigkeit angegeben, bei der der Über­ gang 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 nichtblasen­ bildenden 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 Stabilitäts­ bereich 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

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 ^b)

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% Un­ gleichförmigkeit 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)² oder 69,4facher Leistungsverbrauch bei 136% Ungleichförmig­ keit des Feldes gegenüber einem Feld mit 17% Ungleichförmig­ keit.

Bei den vorstehenden Erläuterungen wurde davon ausgegangen, daß die Wirbelbettkammer in einem Schwerkraftfeld betrieben wird. Es ist jedoch klar, daß das Wirbelbett gemäß der Erfin­ dung auch in anderen Kraftfeldern erzeugt werden kann, wenn nur die Strömungsrichtung des aufwirbelnden Gases entgegen­ gesetzt 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 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 Transporteigen­ schaften sowie den anderen Eigenschaften, die bereits vor­ stehend 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.

Beispiel 9

Beispiel 5 hat gezeigt, daß die Feststoffteilchen in dem mag­ netisch stabilisierten Wirbelbett strömen und durch eine Öff­ nung in der Seitenwand des Wirbelbettbehälters austreten. Der Zweck dieses Beispiels ist es, noch deutlicher zu zeigen, daß die Bewegung der Feststoffteilchen in einer Art Pfropfenströmung erfolgen kann, bei der zwischen den Feststoffteilchen des Bet­ tes beim Austreten aus dem Bett keine relative Bewegung statt­ findet.

1285 g des G87RS-Katalysators mit einer Teilchengröße von 350 bis 840 µ wurden in einen durchsichtigen 7,5 cm Kunst­ stoffwirbelbettbehälter gegeben, der mit einer porösen Ver­ teilerscheibe ausgestattet war. Die Höhe des eingeschütteten Bettes betrug etwa 28,4 cm. In der Wirbelbettbehälter­ seitenwand befanden sich 8 symmetrisch verteilte Austritts­ öffnungen, die jeweils einen Durchmesser von 0,64 cm besaßen, wobei sich der Mittelpunkt jeder Austrittsöffnung 3,8 cm oberhalb der Verteilerscheibe befand. Ein Rotations­ ventil erlaubte das gleichzeitige Öffnen aller Austritts­ öffnungen.

Ein Teil der normalerweise schwarzen Feststoffteilchen im Bett wurden mit einer blauen Pigmentbeschichtung (Ultra­ marin 59-4933 des Cyanamid Company) markiert und in Schich­ ten in das Bett eingebracht. In dem ruhenden Bett variierten die blaugefärbten Schichten in ihrer Dicke von 0,8 bis 1 cm, wobei sich die unterste Schicht 9,7 cm oberhalb der Verteilerscheibe und die übrigen Schichten jeweils 5 cm über der vorhergehenden Schicht befanden und die oberste Schicht zugleich die Oberfläche des Bettes bildete.

Der Wirbelbettbehälter war von einem 100 cm langen Elektro­ magnetsolenoid mit einem Innendurchmesser von 20 cm umgeben, das aus 12 identischen Flachspulen mit jeweils einer Dicke von 4,1 cm und einem gegenseitigen Abstand von 7 cm über dem von dem Wirbelbettbehälter eingenommenen Bereich gebildet war. Das angelegte Feld war im Bereich des Testvolumens innerhalb von 2% gleichförmig, und die beim Versuch verwendete Feld­ stärke betrug konstant 400 Oe.

Bei angelegtem Feld und geschlossenen Austrittsöffnungen wurde ein Luftstrom in den Wirbelbettbehälter eingeleitet. Nach Überschreiten der minimalen Aufwirbelungsgeschwindig­ keit expandierte das Bett bei weiterer Erhöhung der Strömungs­ geschwindigkeit, und die farbigen Schichten stiegen mit dem Bett auf. Die Strömungsgeschwindigkeit wurde auf eine Ober­ flächengeschwindigkeit von 30,5 cm/Sek. gebracht. Die Grenz­ flächen zwischen den farbigen Schichten und dem Bett blieben scharf definiert.

Mit Hilfe des Rotationsventils wurden die 8 Austrittsöffnun­ gen plötzlich geöffnet. Das Bettvolumen verringerte sich dann plötzlich aufgrund des verringerten Luftstroms durch das Bett, da ein Teil des Luftstroms durch die Austrittsöffnungen ent­ wich. Dann setzte sich ein langsamerer Bettbewegungsprozeß fort, bei dem die Feststoffteilchen nach unten sanken und sich die farbigen Schichten ebenfalls nach unten bewegten, da die Feststoffteilchen aus den Austrittsöffnungen in der Seitenwand des Wirbelbettbehälters austraten. Nachdem etwa die Hälfte des Feststoffteilchen ausgetreten war, wurde das Rotationsventil schnell geschlossen. Der ursprüngliche, nach oben fließende Luftstrom wurde so wieder hergestellt, und es wurde beobachtet, daß das Bett expandierte und sich wieder an den wiederhergestellten erhöhten Luftdruchsatz anpaßte.

In dem dann stabil aufgewirbelten ruhenden Wirbelbett konnten die gefärbten Schichten in Ruhe geprüft werden. Die Prüfung dieser Schichten zeigte, daß sie frei von Verformungen waren und daß in dem Bett insoweit keine Rückvermischung der Fest­ stoffteilchen auftrat, wie man es durch das Aussehen an der Bettseitenfläche und der Bettoberfläche bestimmen konnte. Keinerlei Feststoffteilchen hafteten an der Wand, und es wurde geschlossen, daß die Feststoffteilchen mit gleichför­ miger Geschwindigkeit über den Bettquerschnitt nach unten abgesunken waren. In der Nähe der Austrittsöffnungen kann der Strom natürlich keinen eindimensionalen Charakter be­ halten, sondern muß sich zur Seite hin bewegen.

Die Prüfung der ausgetretenen Feststoffteilchen zeigte, daß die Mengen nahezu gleich waren und in Haufen mit nahezu glei­ chem Abstand von den Austrittsöffnungen verteilt waren.

Das Rotationsventil wurde erneut geöffnet und die Feststoff­ teilchen vollständig austreten gelassen. Der Versuch wurde gefilmt, und die erhaltenen Filme bestätigten die obigen Beob­ achtungen.

Beispiel 10

Dieses Beispiel soll anhand von Messungen zeigen, daß ein er­ findungsgemäß magnetisch stabilisiertes Wirbelbett keinen Schwankungen hinsichtlich des Porenvolumens (Volumen zwischen den Feststoffteilchen) unterliegt, während derartige Schwan­ kungen auftreten, wenn im Bett Blasen vorhanden sind.

160 g -20/+30 US-Sieb G-87RS-Katalysator wurden in einen 5 cm I. D.-Wirbelbehälter aus Glas gegeben, der mit einer porösen Verteilerscheibe ausgestattet war. An das Bett wurde ein mag­ netischen Feld mit einer Feldstärke von 569 Oe angelegt. Stick­ stoff mit Raumtemperatur und Atmosphärendruck wurde von unten nach oben mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 51,4 cm/Sek. durch das Bett geleitet. Es ergab sich ein expandiertes Bett mit einer Höhe von etwa 15 cm. Die minimale Wirbelgeschwindigkeit war zuvor zu 23,5 cm/Sek. bestimmt worden. Diese Bestim­ mung erfolgte anhand des Knickpunktes einer Kurve von gemesse­ nen Druckwerten, aufgetragen gegen die Strömungsgeschwindig­ keit.

Eine Hall-Sonde (Bell Z OB4-3218) wurde über dem Wirbelbett­ behälter angebracht, wobei das aktive Element der Sonde in der Mitte des Festbetts positioniert wurde. Die Sonde ist ein abgeflachter Zylinder mit einem äußeren Durchmesser von 0,81 cm und mißt die Magnetfeldkomponente senkrecht zum flachen Ende, d. h. die axiale Komponente des Feldes im Wirbelbettbehälter. Die Sonde wurde an ein Bell 620 Gaussmeter angeschlossen, dessen Ausgangssignal durch einen Tektronix AF 501-Verstärker verstärkt wurde. Ein herkömmlicher Tiefpaßfilter mit einer Amplitudenempfindlichkeit bis zu 50% bei 70 Hz zur Unter­ drückung eines 5 kHz Gaussmeteroszillatorsignals speiste dann eine Disa 55 D 35 RMS-Einheit mit einer Mittlungszeit von 100 Sekunden, deren Ausgangssignal von einem Hewlett- Packard 7004 BX-Y-Recorder aufgezeichnet wurde.

Tabelle 12 zeigt die durchschnittlichen axialen Magnetfeld­ stärken, die Schwankungen des Magnetfelds, ausgedrückt als Prozentsatz der mittleren Feldstärke und den visuell beob­ achteten Zustand des Bettes. Im Rahmen der Meßgenauigkeit lagen bei mittleren Feldstärken von 350 Oe und mehr keine Schwankungen vor, entsprechend einem visuell beobachteten ruhigen Zustand des Bettes. Die Schwankungen nehmen sehr stark zu, wenn das Feld unter den Blasenbildungspunkt abge­ schwächt wird. Danach nehmen die Schwankungen allmählich und weniger stark zu. Daß die H _rms/H_mittel-Werte in Spalte 2 von Tabelle 12 Null sind, zeigt die vollständige Abwesen­ heit von Blasen im Wirbelbett an.

Tabelle 12

Magnetfeldschwankungen in einem magnetisch stabili­ sierten Wirbelbett

Beispiel 11

Dieses Beispiel zeigt den Einfluß der Teilchengröße und der Bettmasse auf die Übergangsströmungsgeschwindigkeit. Die Bettfeststoffteilchen waren verschiedene eng gesiebte Größen von Monel (ferromagnetische weiche Kupfer/Nickel- Legierung) mit einem spezifischen Gewicht von 8,45 und einer Teilchenmagnetisierung von 372 G bei einem angelegten Feld von 5000 Oe. Der durchsichtige zylindrische Kunststoffwir­ belbettbehälter hatte einen Innendurchmesser von 7,57 cm und war mit einer porösen Verteilerscheibe ausgestattet. Das fluidisierende Gas war Luft. Die Magnetfeldquelle war der in Beispiel 9 beschriebene Elektromagnet mit einer 20 cm Bohrung. Dieser Elektromagnet wurde durch seine hohlen leitenden Kupferwindungen mit Wasser gekühlt.

Die Ergebnisse der Versuche, bei denen die Bettlänge und die Oberflächengeschwindigkeit der Luft am Übergangspunkt bestimmt wurden, sind in Tabelle 13 für verschiedene Men­ gen Feststoff im Wirbelbettbehälter zusammengefaßt. Bei allen Versuchsbedingungen wurde darauf geachtet, daß das Wirbelbett sacht und stoßfrei aufgewirbelt wurde. Die Wir­ belbettoberfläche war flach und fein strukturiert, und der Übergang zur Blasenbildung geschah plötzlich mit einer Re­ produzierbarkeit von 5% oder weniger der Oberflächenströ­ mungsgeschwindigkeit.

Es ist ersichtlich, daß die Übergangsströmungsgeschwindigkeit mit zunehmender Teilchengröße zunimmt und mit zunehmender Bettlänge abnimmt. Die Übergangsgeschwindigkeit von langen Betten neigt dazu, unabhängig von der Bettlänge zu sein.

Das Verhalten und die Ausdehnung eines Wirbelbettes mit einer konstanten Menge an Monel-Feststoffteilchen ist in Tabelle 14 wiedergegeben. Wenn die Oberflächengeschwindigkeit von ihrem Anfangswert Null ansteigt, bleibt die Bettlänge unverändert, abgesehen von einer unwesentlichen Umstrukturierung der Bett­ oberfläche. Am Punkt der minimalen Aufwirbelgeschwindigkeit beginnt das Bett zu expandieren. Die Ausdehnung erfolgt kon­ tinuierlich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit, wobei das Wirbelbett ruhig im stabilen Zustand verbleibt, bis der Übergangspunkt zur Blasenbildung eintritt. Der Knickpunkt in der Kurve von Bettlänge aufgetragen gegen die Strömungsge­ schwindigkeit stellt ein gutes Mittel zur Bestimmung der mi­ nimalen Aufwirbelungsströmungsgeschwindigkeit als eine Alter­ native zur Bestimmung des Knickpunktes in der Kurve des Druck­ abfalls gegen die Strömungsgeschwindigkeit dar.

Tabelle 13

Korrespondierende Werte von Übergangslänge und -ge­ schwindigkeit in Betten mit verschiedenen Mengen an Monel

Tabelle 14

Verhalten und Ausdehnung einer konstanten Menge an Monel-Feststoffteilchen bei ansteigender Luft­ strömungsgeschwindigkeit

Beispiel 12

Dieses Beispiel zeigt, daß die minimale Aufwirbelungsgeschwin­ digkeit eines Bettes aus magnetisierbaren Teilchen konstant ist und von der Anwesenheit oder Stärke eines angelegten Mag­ netfeldes unbeeinflußt bleibt. Ferner zeigt das Beispiel, daß eine höhere Gasdurchsatzgeschwindigkeit erforderlich ist, um das stabil aufgewirbelte Bett zu veranlassen, aus dem ruhigen Zustand in einen Zustand der Blasenbildung oder des Stoßens überzugehen.

Ein zylindrischer Wirbelbettbehälter mit einem Innendurchmesser von 7,49 cm und einer Höhe von 41 cm über einem mikropo­ rösen Stützgitter wurde mit 3110 g C1018-Eisenkugeln der Nuclear Metals Corporation beschickt. Die Eisenkugeln waren auf einen Größenbereich von 177 bis 250 µ gesiebt worden. Die anfängliche Bettlänge betrug 15 cm. Die Quelle für das Magnetfeld war ein Paar von Elektromagneten mit einer 15,24 cm Bohrung, wobei jeder Elektromagnet 10,16 cm lang war und der gegenseitige Abstand 3,81 cm betrug. Das Magnetfeld war colinear zur Bettströmungsachse ausgerichtet, wobei sich der Mittelpunkt des Magnetpaares im Schwerpunkt des Bettinhalts befand. Das fluidisierende Gas war Luft. Zur Messung des Gas­ druckes im Bett wurde ein langes gerades Glasrohr mit einem Außendurchmesser von 6 mm und einem Innendurchmesser von 4 mm vertikal in das Bett eingebracht. Das Rohrende wurde 1 cm oberhalb des Stützgitters positioniert, und das andere Ende des Rohrs wurde an ein Manometer (U-Rohr) angeschlossen. Das Bett wurde bei nicht angelegtem Magnetfeld im Blasenbildungs­ bereich aufgewirbelt und dann zusammenfallen gelassen, indem der Gasstrom vor dem Beginn einer Versuchsreihe unterbrochen wurde. Das Magnetfeld wurde in Abwesenheit des Luftstroms an­ gelegt. Dann wurde der Druck in Abhängigkeit zur Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit bei konstanter Magnetfeldstärke ge­ messen.

Die magnetischen Momente der verwendeten Eisenfeststoffteil­ chen wurden nach der Probenvibrationsmethode (vibrating sample technique) durch Magnetometermessungen (Magnetometer measurement) bestimmt und sind in Tabelle 15 wiedergegeben.

Tabelle 15

Magnetisches Moment von 177 bis 250 µ C1018-Stahl­ kugeln¹), ²) in angelegten Magnetfeldern

Die Remanenz von 2,6 bis 3,0 G ist gering im Vergleich zu den Magnetisierungswerten bei den angelegten Feldstärken, so daß das Material in diesem Arbeitsbereich als ferromagnetisch weich angesehen werden kann.

In Tabelle 16 sind die Druckverluste entlang der gesamten Bettlänge in Abhängigkeit von der Oberflächenströmungsge­ schwindigkeit bei verschiedenen angelegten Magnetfeldstär­ ken aufgeführt. In Fig. 2 sind die Daten für eine Feld­ stärke von 48 Oersted aufgetragen. Der Knickpunkt der Kurve ist der Punkt der minimalen Aufwirbelung. Die auf diese Weise erhaltenen Werte für die minimale Aufwirbelungsge­ schwindigkeit U _MF sind in der zweiten Spalte von Tabelle 17 aufgeführt. Daraus ist zu ersehen, daß die minimale Aufwirbelungsgeschwindigkeit unabhängig von der angewandten Magnetfeldstärke einen konstanten Wert besitzt.

Aus Spalte 3 in Tabelle 17 geht hervor, daß die Bettlänge unterhalb des Punktes der minimalen Aufwirbelung konstant ist. Das Bett expandiert bei größeren Strömungsgeschwin­ digkeiten als der minimalen Aufwirbelungsströmungsgeschwin­ digkeit und erreicht die in Spalte 5 der Tabelle 17 ange­ gebene Länge beim Übergangspunkt zur Blasenbildung. Der Übergang zur Blasenbildung oder zum Stoßen erfolgt plötz­ lich, was nach durch visuelle Beobachtung bestimmen kann. Beständige Blasenbildung an der Oberfläche für mindestens etwa 30 Sekunden ist das Kriterium für den Übergang, wobei die Geschwindigkeit am Übergang mit U _T bezeichnet wird. Die Werte von U _T sind in der vierten Spalte von Tabelle 17 aufgeführt. Bei H = 64 und 72 Oersted fand ein Übergang zum Stoßen statt.

In Fig. 3 sind U _MF und U _T gegen die angewendete Feldstärke aufgetragen. Der magnetisch stabilisierte Zustand der aufge­ wirbelten Feststoffteilchen wird durch den Bereich zwischen den Kurven von U _MF und U _T definiert. Dieser Bereich liefert einen breiten Betriebsbereich, in dem das Bett aufgewirbelt ist, aber dennoch ruhig und frei von Blasen oder Feststoff­ rückvermischung ist. In diesem Bereich kann das Wirbelbett­ material leicht in den Wirbelbettbehälter hinein oder heraus transportiert werden.

Tabelle 16

Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit und der angewen­ deten Feldstärke auf den Druckabfall bei einem Luft­ strom durch ein Bett aus Eisenkugeln ¹), ²)

In der letzten Spalte von Tabelle 17 sind die Plateauwerte des Druckabfalls normiert durch das Verhältnis von Bettmasse W zu Bettquerschnittsfläche A angegeben; diese Größe ist theoretisch gleich 1, wenn man sie in sich entsprechenden Dimensionseinheiten ausdrückt. Die experimentellen Werte stehen in vernünftige Übereinstimmung zu den theoretisch erwarteten Werten und bestätigen die Existenz des Aufwir­ belungszustandes des Bettes sowohl im stabilen als auch im Blasen bildenden Bereich, d. h. in Bereichen, in denen die Geschwindigkeit U kleiner und größer als U _T ist.

R. L. Sonoliker et al (Indian Journal of Technology, 10, 377 (1972)) berichten von Beobachtungen an aufgewirbelten Eisen­ pulvern, die einem axial ausgerichteten Magnetfeld ausgesetzt wurden. Insbesondere in Tabelle 1 dieser Veröffentlichung sind Versuchsergebnisse für die minimale Aufwirbelungsge­ schwindigkeit von Eisenteilchen einschließlich Ergebnisse für Teilchen mit einem Durchmesser von 244 µ und somit zum hier untersuchten Bereich vergleichbar angegeben. Die Werte der minimalen Aufwirbelungsgeschwindigkeit nehmen bei Sonoliker et al exponentiell mit der angewendeten Feldstärke zu. Dies steht im deutlichen Widerspruch zur konstanten mini­ malen Aufwirbelungsgeschwindigkeit beim erfindungsgemäßen Ver­ fahren, wie in der zweiten Spalte von Tabelle 17 angegeben. Es ist möglich, daß Sonoliker et al die Übergangsgeschwindig­ keit U _T beobachteten und diese als minimale Aufwirbelungsge­ schwindigkeit U _MF identifizierten. Dementsprechend haben Sonoliker et al möglicherweise bei ihren Versuchen den sta­ bilisierten Bereich flüchtig durchlaufen. In jedem Fall ist es klar, daß Sonoliker et al keine Lehre hinsichtlich der Existenz eines stabil aufgewirbelten Bereiches, wie erfin­ dungsgemäß beansprucht, geben. Im Hinblick auf den Bericht von Sonoliker et al sind die Leistungsfähigkeit des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens und die Eigenschaften des dabei er­ zeugten Wirbelbetts völlig unerwartet und überraschend.

Tabelle 17

Zusammenfassung des Verhaltens des einem Magnetfeld ausgesetzten Betts aus Stahlkugeln (177 bis 250 µ)

Bei einem angelegten Feld von 80 Oersted wandert das Wirbelbettmaterial in Form eines Pfropfens in dem Wirbelbettbehälter nach oben, und zwar bei einem Gasdurchsatz, der unter dem Übergangs­ punkt liegt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines magnetisierbare Fest­ stoffteilchen enthaltenden Wirbelbettes in einem Gefäß, wobei das Wirbelbett durch einen Gasstrom hervorgerufen und schwebend gehalten wird und wobei mindestens ein Teil des Wirbelbettes einem gleichförmi­ gen Magnetfeld ausgesetzt wird, das eine wesentliche Komponente in Richtung des Schwerkraftfeldes hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffteilchen in Abhängigkeit von einer im Bett herrschenden Druck­ differenz in gesteuerter Weise dem Wirbelbett zugeführt und von ihm weggeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in dem Wirbelbett zusätzlich nicht-magneti­ sierbare Teilchen einsetzt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein teilchenförmiges Material verwendet wird, das 25 Vol.-% bis 100 Vol.-% magnetisierbarer Teilchen enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Nickel enthaltende magnetisierbare Feststoff­ teilchen einsetzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein die magnetisierbaren Feststoffteilchen enthaltendes Bett verwendet, das einen Zeolithcrack­ katalysator enthält.