DE2552891A1 - Wirbelschicht-vorrichtung - Google Patents
Wirbelschicht-vorrichtungInfo
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Description
MULLER-BORE · GROENIIVG · DEU2?EI. · SCHÖN - HERTEL
DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE HANS W. GROENlNG, DIPL.-ING.
DR. PAUL. DEUFEL, DIPL-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM.
WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.
2 5. NOV, 1975
C 2939
Anmelder: CPC International Inc.
International Placa, Englwood Cliffs,
.New Jersey / USA
.New Jersey / USA
Wirbelschicht-Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Wirbelschicht-Vorrichtung bzw. Fluidisierungsvorrxchtung; sie betrifft insbesondere eine
Vorrichtung mit einer Wirbelschicht zur Durchführung von chemischen Reaktionen und/oder Einheitsarbeitsgängen.
Vorrichtungen mit einem Wirbelbett werdenbereits seit vielen
Jahren für die verschiedensten Zwecke verwendet, beispielsweise für die Durchführung von chemischen Reaktionen und/oder
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Einheitsarbeitsgängen, wie ζ. B. zum Trocknen. In einer üblichen
Wirbelschicht isf: eine feste Phase in einem sich in Aufwärtsrichtung
bewegenden Fluidstrom, in der Regel einem Gasstrom, suspendiert, so daß sich die Masse der festen Teilchen
wie eine siedende Flüssigkeit verhält. Bei der festen Phase kann es sich um einen Katalysator handeln, der eine
chemische Reaktion in dem Strom des Aufwirbelungsgases fördert,
oder es kann sich um ein Material handeln, das mit dem Aufwirbelungsgas
(Fluidisierungsgas) reagiert. Bei der festen Phase kann es sich auch um ein Material handeln, das mit dem Aufwirbelungsgas
behandelt wird, wie im Falle der Wirbelschichttrocknung (Fluidisierungstrocknung).
Einer der Hauptvorteile von Wirbelschicht systemen geht auf die
Tatsache zurück, daß durch die hohe Turbulenz in einem Wirbelschichtsystem gute Wärmeübertragungseigenschaften erzielt werden,
Außerdem werden die Feststoffe in dem Wirbel schicht system wegen
der darin herrschenden höhen Turbulenz mit dem Aufwirbe lungs ~
gas (Fluidisierungsgas) gut gemischt, wobei ein verhältnismäßig homogenes System entsteht.
Wirbelschichtsystems sind jedoch nicht frei von Nachteilen. Bekanntlich führt die Anwendung von Wirbelschichtsystemen auf
chemische Reaktionen häufig zu einer Kanalbildung, einem Phänomen, das durch in der festenPhase vorhandene Taschen hervorgerufen
wird und zum Durchströmen von Gas durch das Bett ohne innigen Kontakt mit der festen Phase führt.
Das Problem der Kanalbildung in einem Wirbelschichtsystem kann
durch Verwendung einer Vielzahl von rohrförmigen Zonen, durch
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welche das Aufwirbelungsgas in Kontakt mit der festen Phase
geführt wird, teilweise verringert werden. Dabei wirkt jedes Rohr als einzelne Wirbelschicht mit einer viel kleineren
Querschnittsfläche. Solche rohrförmigen Bettsysteme weisen noch bessere Wärmeübertragungseigenschaften auf, weil durch
die Vielzahl der rohrförmigen Zonen die "für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberflächengröße erhöht wird.
In der US-Patentschrift 2 845 368 ist ein Verfahren zur Umwandlung" von Stärke in Dextrin in einem Wirbe!schichtsystem
(Wirbelbettsystem) beschrieben, in dem der Wirbelschichtreaktor im Innern eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren
enthält, mit deren Hilfe der der Umwandlung unterliegenden Stärke Wärme zugeführt wird. Eine der Hauptschwierigkeiten,
die bei einem System des in dieser Patentschrift beschriebenen Typs auftreten, besteht darin, daß die Stärke, wenn sie mit
einem Säurekatalysator in Kontakt kommt, die Neigung hat, innerhalb des Wirbelschichtreaktors Klumpen zu bilden, wodurch die
Kanalbildung und damit eine unzureichende Umwandlung der Stärke in Dextrin gefördert wird. Außerdem sind rohrförmige Reaktoren,
wie sie bei der Dextrinierung von Stärke verwendet werden, häufig durch eine " tote Zone " in dem oberen Abschnitt charakterisiert,
in der die Stärke über länge Zeiträume hinweg liegen und hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann. Dadurch kann eine
Selbstentzündung auftreten, die zum Ausbrechen eines Feuers und/oder zum Auftreten von Explosionen führen kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, welche die vorstehend geschilderten Nachteile nicht
aufweist. Ziel der Erfindung ist es insbesondere, einen
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Wirbelschichtreaktor anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist,hohe Wärmeübertragungsraten bzw. -geschwindigkeiten zu
erzielen bei gleichzeitiger minimaler Kanalbildung in der festen Phase des Bettes.
Diese und weitere Ziele werden erfindungsgemäß erreicht mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf die nachfolgend beschriebene bevorzugte
Ausführungsform keineswegs beschränkt ist. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Wirbelschichbvorrichtung
(Fluidisierungsvorrichtung), welche die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
entlang der in Fig. 1 angegebenen Linie 2-2, die eine größere Anzahl von Rohren als in der Fig. 1
aufweist, in der zur Vereinfachung der Erläuterung nur 4 Rohre dargestellt sind;und
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer für die Verarbeitung eines fluidisierbaren Materials geeigneten erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Bei der den Gegenstand der Erfindung bildenden Vorrichtung
handelt es sich um eine Wirbel schichtvorrichtung, die aus
einem langgestreckten, im allgemeinen aufrechtstehenden
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Reaktor besteht, der in drei Abschnitte unterteilt ist. Bei einem dieser Abschnitte handelt es sich um eine obere Kammer
im oberen Abschnitt des Reaktors und bei dem anderen Abschnitt handelt es sich um eine untere Kammer in dem Bodenabschnitt
des Reaktors. Zwischen der oberen Kammer und der unteren Kammer befindet sich ein Abschnitt, der durch eine Vielzahl von
Rohren gebildet wird, von denen jedes an seinem oberen Ende mit der oberen Kammer und an seinem unteren Ende mit der unteren
Kammer in Verbindung steht. Der Reaktor weist auch eine Einlaßeinrichtung in der oberen Kammer für die Einführung eines
fluidisierbaren (aufwirbelbaren) Materials in die obere Kammer und eine Ausiaßeinrichtung für den Abzug des fluidisierbaren
Materials aus dem System in der unteren Kammer auf. Das Aufwirbelungsgas (Fluidisierungsgas), wie z. B. Luft, wird durch
eine Einlaßeinrichtung in der unteren Kammer eingeführt und strömt in Aufwärtsrichtung durch die untere Kammer, durch die
Vielzahl von Rohren bis in die obere Kammer, wobei es das fluidisierbare Material in der unteren Kammer, in den Rohren
und in der oberen Kammer aufwirbelt.
Eines der wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß sowohl die obere Kammer als auch die untere Kammer mit Rühreinrichtungen versehen sind, um eine
starke Durchmi.schung sowohl in der oberen Kammer als auch in der unteren Kammer zu gewährleisten. Auf diese Weise wird
eine Kanalbildung in der oberen Kammer und in der unteren Kammer praktisch ausgeschaltet. Das auf diese Weise in die
obere Kammer eingeführte fluidisierbaiE Material strömt unter
der Einwirkung der Schwerkraft aus der oberen Kammer durch die Vielzahl von Rohren nach unten in die untere Kammer, aus der
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es aus der Vorrichtung ausgetragen wird. Die feste Phase oder das fluidisierbare Material strömt damit als Folge der Schwerkraft
im Gegenstrom zu dem Aufwirbelungsgas (Fluidisierungsgas) und sinkt als Folge der Schwerkraft langsam nach unten
entgegen der Wirkung des Suspendier- oder Aufwirbelungsmediums.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für die verschiedensten
Wirbelschicht-Anwendungszwecke, beispielsweise für das Wirbelschichttrocknen, für Erdölkrackvorgänge und dgl., in
denen bisher schon Wirbelschichtsysteme angewendet worden sind.
Die Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen zeigt im Detail eine Querschnittsansicht der erf in dunegemäß en Wirbelschichtvorrichtung.
Die Vorrichtung weist ein langgestrecktes (längliches) vertikales Gehäuse 10 auf, das in seinem oberen Abschnitt
eine obere Kammer 12 mit einem Einlaß 14 zur Einführung eines fluidisierbaren Materials umschließt. Das Gehäuse 10 begrenzt
auch eine untere Kammer 16, die praktisch am Boden angeordnet ist. Sowohl die obere Kammer 12 als auch die untere Kammer 16
weisen jeweils Rühreinrichtungen 18 und 20 auf. Die Rühreinrichtung 18 weist eine Welle 22 auf, die drehbar innerhalb
der oberen Kammer 12 befestigt ist. Auf der Welle 22 sind damit drehbar eine Vielzahl von Flügeln 24 befestigt, welche
die Form von flachen Schaufeln haben können und sich mit der Welle 22 drehen. Die Rühreinrichtung 20 in der unteren Kammer
16 besteht in entsprechender Weise aus einer drehbaren Welle mit daran befestigten, im wesentlichen flachen Schaufeln 28,
die sich mit der Welle drehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist
die Rühreinrichtung 18 flache Flügel 24 in gegeneinander versetzter
Anordnung auf, wobei zusätzliche flache Flügel 30 in einem Winkel von 90 zwischen jedem der Flügel 24 befestigt
sind. Diese Flügel weisen eine im wesentliche flache Oberfläche auf, die in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluidxsierungsgases (Aufwirbelungsgases) liegt.
Die Rühreinrichtung 20 in der unteren Kammer 16 weist vorzugsweise eine ähnlichen Aufbau auf. Gewünschtenfalls können einige
oder alle Flügel so angeordnet sein, daß sie mit den dargestellten einen Winkel bilden.
In dem Gehäuse 10 sind in einem Zwischenabschnitt 32 eine Vielzahl von Rohren 34 angeordnet, deren oberes Ende 36 mit
der oberen Kammer 12 und deren unteres Ende 38 mit der unteren Kammer 16 in Verbindung steht. Auf diese Weise strömt das
durch den Einlaß 14 eingeführte fluidisierbare Material als Folge der Schwerkraft durch die obere Kammer 12 und durch
die Vielzahl der Rohre 34 nach unten in die untere Kammer Die untere Kammer 16 weist auch einen Auslaß 40 zum Abziehen
des fluidisierbaren Materials daraus auf.
Unterhalb der unteren Kammer 16 ist ein Gehäuse 42 angeordnet, das eine Überdruckkammer 44 begrenzt. Das Aufwirbelungsgas
wird durch den Aufwirbelungsgasexnlaß 46 in die Überdruckkammer eingeführt und strömt durch eine mit Löchern versehene VerteiLerplatte
48 in die untere Kammer 16.
Die Anordnung der Rohre in dem Zwischenabschnitt 32 kann stark variieren. Eine geeignete Anordnung für die Rohre 34 in dem
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-R-
Abschnitt 32 ist in der Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, sind die Rohre
34 in Form eines Musters um das Zentrum des Abschnittes 32 herum angeordnet.
Mindestens der Rohrabschnitt ist mit einer Einrichtung zur Zuführung und/oder Abführung von Wärme versehen. Zu diesem
Zweck begrenzt der Abschnitt 32 vorzugsweise einen Mantel für ein Wärmeaustauschmedium, das durch den Einlaß 64 in
den Abschnitt 32 eingeführt und durch den Auslaß 50 aus dem Abschnitt oder Mantel 32 abgeführt werden kann, wie in
Fig. 1 dargestellt. In vielen Fällen ist es auch zweckmäßig, einen Wärmeaustauscher in der oberen Kammer und in der unteren
Kammer zu verwenden. Zu diesem Zweck reicht es im allgemeinen aus, einen Mantel 52 vorzusehen, x\7e3dier die obere
Kammer 12 umgibt, wobei der Mantel 52 einen Einlaß 54 für die Einführung des War me au s t aus. chme d ium s in den Mantel 52
und einen Auslaß 56 für die Abführung des Wärmeaustauschmediums aus dem Mantel 52 aufweist.
Wie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt, reicht es aus, wenn
der Wärmeaustauschmantel 52 für die obere Kammer 12 sich nur
bis zu dem Einlaß 14 erstreckt. Im allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, daß die obere Kammer 12 einen eine integrale"Einheit
damit bildenden Kuppelabschnitt 58 aufweist, aus dem das Fluidisierungsgas (Aufwirbelungsgas) mittels des Auslasses
aus dem Reaktor entfernt werden kann. Es sei darauf hingewiesen, daß durch den Auslaß 60 nicht nur das Fluidisierungsgas, sondern
auch eventuelle, in dem Fluidisierungsgas enthaltene mitgerissene "Feinteile" durch den Auslaß 60 ausgetragen werden. Es ist
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möglich,und manchmal zweckmäßig, die obere Kammer mit einer
vergrößerten Querschnittsflache zu versehen, um die lineare
Geschwindigkeit des Fluidisierungsgases zu verringern, urn dadutr ch die Trennung der mitgerissenen Teilchen von der festen
Phase zu unterstützen. Die Querschnittsfläche der Kuppel selbst kann zu diesem Zweck vergrößert werden oder die Querschnittsfläche der gesamten Kammer 12 kann vergrößert werden.
Die untere Kammer 16 kann ebenfalls mit einem Wärmeaustauschmadium,
vorzugsweise in Form eines Mantel 62, versehen sein, in welchen das Wärmeaustauschmedium durch den Einlaß 64 eingeführt
und durch den Auslaß 66 wieder daraus abgezogen werden kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die sich für die Verarbeitung
eines fluidisierbaren Materials eignet, ist in der Fig.
der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. Wie aus dieser Fig. ersichtlich, wird das fluidisierbare Material durch
einen Trichter 70 in den Einlaß 14 und von da in die obere Kammer 12 eingeführt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird durch die Leitungen 72 und 74, wenn es vorteilhaft ist, Wasserdampf in den Wärmeaustauschermantel
eingeführt, um der oberen Kammer Wärme zuzuführen. Die Welle 22 der Rühreinrichtung 18 kann durch eine geeignete Einrichtung
76, wie in Fig. 3 dargestellt, angetrieben werden.
Das fluidisierbare Material wird mittels feuchter Luft, die
durch den Einlaß 46 in die Überdruckkammer 44 eingeführt wird,
diese
aufgewirbelt (fluidisert) und/strömt durch die untere Kammer urri durch die Rohre 34 inÖen Zwischenabschnitt 32 in die obere
Kammer 12 nach oben. Wasserdampf als Wärmeaustauschmedium wird
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- ίο -
auch eingeführt durch die Leitung 78 in den Mantel oder Abschnitt 32 und durch die Leitung 80 in den die untere
Kammer 16 umgebenden Mantel 62. Auf diese Weise wird der oberen Kammer, der unteren Kammer sowie dem Rohrabschnitt
Wasserdampf zugeführt, um das hindurchströmende Material zu erwärmen.
Das in den Einlaß 14 eingeführte fluidisierbare Material wird
in der oberen Kammer 12 sofort aufgewirbelt (fluidisert),
während die obere. Kammer 12 mittels der Flügel 24 und 30 kontinuierlich gerührt wird. Das Material fließt als Folge der
Schwerkraft entgegen der Wirkung des Fluidisxerungsmediums durch die obere Kammer, während diese gerührt wird}langsam
nach unten, setzt sein Abwärtsfließen unter der Einwirkung
der Schwerkraft entgegen der suspendierenden Wirkung der Luft durch die Rohre 34 fort, in denen nicht gerührt wird, wobei
jedoch in den das fluidisferende Material enthaltenden Rohren
natürlich eine E igen turbulenz auftritt. Nach dem Hinabfließen
durch die Rohre 34 gelangt das fluidisierte Material entgegen
der Wirkung der erhitzten Luft in die untere Kammer 16 und
wird durch den Auslaß 40 aus der unt eren Kammer 16 abgezogen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das durch die Leitung 40 abgezogene Produkt durch die drehbare Luftschleuse
82 in das Kühlrohr 84 eingeführt und gelangt durch die Leitung 86 in die Sammeleinrichtung. Mittels eines Cyclons 88
werden durch die Austragseinrichtung 60 ausgetragene Staub- oder Feinteile entfernt und diese werden durch die Staibaustragsleitung
90 und durch die Leitung 86 in die Sammeleinrichtung eingeführt .
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- ii -
Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Fluidisierungsmedien (Aufwirbelungsmedien) als Luft verwendet werden können. So
können beispielsweise Wasserdampf oder inerte Gase, wie Stickstoff, Kohlendioxid und dgl., die vorzugsweise etwas Feuchtigkeit
enthalten, verwendet werden. Außerdem können gewünschtenfalls
auch Rauchgase aus Verbrennungsvorgängen in entsprechender Weise als Fluidisierungsmedium verwendet werden. Es ist
nicht wesentlich, daß mit dem Fluidisierungsmedium eine fühlbare
Wärmemenge dem aufgewirbelten Material zugeführt wird, da der Rohrabschnitt des erfindungsgemäß verwendeten Reaktors
in der Lage ist, die gesamte erforderliche Wärme zu liefern, um die Reaktion auf wirksame Weise in Gang zu bringen.
Mit der erfindungsgmäßen Vorrichtung sind zahlreiche Vorteile
erzielbar. So wird beispielsweise durch die Verwendung einer
oberen und einer unteren gerührten Kammer in der erfindungsgemäßen
Wirbelschichtvorrichtung eine Homogenität in der Wirbelschicht aufrechterhalten und es wird verhindert, daß das Material
verschmort, wenn es den Rohrabschnitt des Reaktors passiert.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und unter Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, qualitativ hochwertige Produkte bei niedrigen Kosten herzustellen, ohne
daß dabei die oben erwähnten Nachteile auftreten.
Die erfindunggemäße Vorrichtung kann selbstverständlich auch für andere Wirbelschicht-Arbeitsgänge verwendet werden. Es
sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die Beschickungs- und Austragseinrichtungen der hier beschriebenen erfindungegemäßen
Vorrichtung auch umgekehrt werden können, so daß das zu fluidisierende Material in den Bodenabschnitt des Reaktors eingeführt
und das auszutragende feste Material aus dem oberen Abschnitt
, D ,,. , 60 9 822/0970
des Reaktors abgezogen wira.
Claims (12)
- - 12 Patentansprüche(L. Vorrichtung, bestehend aus einem Reaktor mit einem Gehäuse und einar Vielzahl von Rohren zur Durchführung einer Aufwirbelung bzw. Fluidisierung, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, im allgemeinen aufrechtstehendes Gehäuse (10), das eine obere Kammer (12) und eine untere Kammer (16) begrenzt, wobei jede dieser Kammern (12, 16) eine Rühreinrichtung (18, 20) enthält, eine Vielzahl von zwischen der oberen Kammer (12) und der unteren Kammer (16) angeordneten Rohren (34), die jeweils mit der oberen Kammer (12) und der unteren Kammer (16) in Verbindung stehen, einen Einlaß ( 14 bzw. 40) zu Einführung des fluidisierbaren Materials in eine der Kammern (12, 16), einen Auslaß (40 bzw. 14) zur Entfernung des fluidisierbaren Materials aus der jeweils anderen der Kammern (16, 12) und einem Einlaß (46) für die Einführung des Fluidisierungsgases (Aufwirbelungsgases) in die untere Kammer (16), so daß das Fluidisierungsgas in Aufwärtsrichtung durch die untere Kammer (16) und durch jedes der Rohre (34) in die obere Kammer (12) nach oben strömt, wodurch das darin enthaltene Material aufgewirbelt (fluidisiert) wird.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine die obere Kammer(12)umgebende Wärmeübertragungseinrichtung (52) aufweist.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine die untexe Kammer (16) umgebende Wärmeübertragungseinrichtung (62) aufweist.609822/0970
- 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Wärmeübertragungseinrichtung (32) aufweist, die den Wärmeaustausch an den Rohren (34) erlaubt.
- 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung einen die Rohre (34) umgebenden Mantel (32) aufweist.
- 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Rohre (34) aufweist, deren Querschnittsflache kleiner ist als die Querschnittsfläche sowohl der oberen Kammer (12) als auch der unteren Kammer (16).
- 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rühreinrichtung (18 bzw. 20) eine in der oberen Kammer (12) bzw. in der unteren Kammer (16) drehbar befestigte Welle (22 bzw. 26) und eine Vielzahl von auf der v/elle befestigter Rührflügel (24 bzw. 28) aufweist, die sich mit der Welle drehen.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet.durch Rührflügel, die so dimensioniert sind, daß sie praktisch den gesamten Querschnitt sowohl der oberen Kammer (12 als auch der unteren Kammer (16) reinigen.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch Rührflügel mit im wesentlichen ebenen Oberflächen quer zur Strömungsrichtung des Fluidisierungsgases.609822/0970
- 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch Rührflügel, die so gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß ein Flügel unter einem Winkel von90 in bezug auf die angrenzenden darüberliegenden oder darunterliegenden Flügel angeordnet ist»
- 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in der oberen Kammer (12) eine Einrichtung (83) zur Entfernung von Feinteilen aus dem fluidisierbaren Material aus der oberen Kammer (12) aufweist.
- 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen auf der oberen Kammer (12)angeordneten Einlaß (14) zu Einführung des fluidisierbaren Materials in die obere Kammer (12) und einen auf der unteren Kammer (16) angeordneten Auslaß (40) zum Entfernen des fluidisierbaren Materials aus der unteren Kammer (16).609 8 2 2/0970Λ"Leerseite
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---|---|---|---|
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