DE2717920A1

DE2717920A1 - Verfahren zum dosierenden foerdern pulverfoermiger feststoffe

Info

Publication number: DE2717920A1
Application number: DE19772717920
Authority: DE
Inventors: Helmut Alfs; Julius Klos; Ferdinand Dr List
Original assignee: Chemische Werke Huels AG
Current assignee: Huels AG
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1977-04-22
Publication date: 1978-11-02
Also published as: GB1601778A; FR2387874A1; NL7804298A; JPS53138186A; IT7848992A0; US4211506A; BE866273A

Description

CHEMISCHE VERKE HÜLS AG . $. Ό7Ο Mari, 2Ο.ΟΊ.77

- RSP PATENTE - 7't55/ßo

Unser Zeichen: O.Z. 2969 Verfahren zum dosierenden Fördern pulverförmiger

Feststoffe

5/77 2 Zeichnungen

80984 4/0141

- 3 - O.Z. 29<">9

20.0i4.77"

Bei vielen technischen Verfahren ist es erforderlich, pulverförmig©, trockene Feststoffe zu fördern und zugleich zu dosieren. Insbesondere bei chemischen Verfahren kann diese Aufgabe dadurch erschwert sein, daß man den Feststoff in einen Apparat eindosieren will, in dem ein Überdruck eines gasförmigen Systems herrscht. In diesem Fall benötigt man zugleich eine sichere Abdichtung gegen den Druckraum. Ganz besonders erschwert ist die Aufgabe abor dann, wenn der unter Überdruck stehende Gasraum eine erhöhte Temperatur besitzt und den Dampf einer Flüssigkeit enthält, der beim Zurückschlagen in das geförderte Pulver abkühlen und im Pulver kondensieren würde.

Ein solches Problem besteht beispielsweise dann, wenn man Terephthalsäure (tps) mit Methanol (m) , die unter Normalbedin-i gungen fest bzw* flüssig sind, bei erhöhter Temperatur in der Gasphase zu Terephthalsäuredimethylester (DMT) verestern will und sich hierzu z.B. der Verfahrensweise der DT-AS 1 Z2k 313» 1 933 9^6, 2 227 396, 2 224 869 oder 2 261 333 bedient. Hierbei trägt man pulverförmige TPS neben M in einen unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck stehenden Drehofen, Wirbelofen oder Vorreaktor ein und verestert die Reaktionsteilnehmer teils unmittelbar, teils in nachgeschalteten Apparaten, wobei man das gasförmige Reaktionsgut auch teilweise im Kreis führen kann. In Jedem Falle dosiert man pulverförmige, trockene TPS in einen Apparat, der ein heißes Gasgemisch aus TPS, M, DMT, Terephthalsäuremonomethylester und Wasser enthält. Besonders vorteilhaft sind die Verfahren der letztgenannten beiden Schriften; da man hier das M nur im geringen Überschuß einsetzt, zugleich aber bei 300 bis 3^0°C mit einem Überdruck von 1 bar arbeitet, wird das gleichmäßige und betriebssichere Fördern und Dosieren der TPS besonders bedeutsam.

Man kann das Problem scheinbar lösen, indem man eine Suspension von TPS in M z.B. mittels einer Kreiselpumpe fördert. Statt das M vor Eintritt in den Apparat zu verdampfen und auf die erforderliche Reaktionstemperatur zu bringen, muß man aber die

8098U/0U1

- h - o.z. 2969

20.0Ί.77

Wärme durch Austauschflächen aufbringen, die innerhalb des Reaktionssystems angeordnet sind; hierbei belegen sich diese Flächen schnell mit TPS, die, auch wenn sie laufend von rotierenden Schabern abgekratzt wird, hart und brockig ist und sich der gewünschten Umsetzung entzieht.

Auch die pneumatische Förderung ist aufwendig und unbefriedigend, weil Feststoff und Fördergas in einem bestimmten Massenverhältnis stehen müssen, das gesamte System wegen des M beheizt sein muß und man einen entsprechenden Vordruck des Fördergases einhalten muß. Man benötigt daher eine Zudosiereinrichtung für die TPS gegen das Drucksystem, z.B. eine Schnecke oder ein Zellenrad unter Druckvorgabe im aufgeheizten TPS-Behälter, wobei sich der Gasabschluß mittels Zellenradschleusen oder Doppelpendelklappen mit Druckausgleich erreichen läßt. Bei allen diesen Vorrichtungen,bei denen periodisch TPS eingefüllt und ausgetragen wird, läßt sich nicht vermeiden, daß dampfförmiges M rückwärts dringt und Störungen aller Art verursacht. Insbesondere handelt es sich hier aber nicht um die exakte kontinuierliche Einstellung eines Mengenstromes an pulverförmigem Feststoff, sondern um die diskontinuierliche, periodische Zudosierung kleiner Mengen.

Damit bleibt aber die wesentliche Voraussetzung vieler technischer Verfahren, die das stetige Fördern und Dosieren eines Pulvers verlangen, unerfüllt. Beim gewählten Beispiel kann man nur unter kontinuierlichem Eindosieren beider Reaktionspartner erreichen, daß die TPS in Abhängigkeit von den Verweilzeiten, Konzentrationsverhältnissen und den durch die Massenverhältnisse mitbedingten Temperaturprofilen rückstandfrei verdampft und vollständig verestert wird, so daß man die gegebene Anlage maximal ausnutzen und das erhaltene Reaktionsgemisch einfach und stetig aufarbeiten kann.

überraschenderweise kann man die Aufgabe mittels einer Exzenterschneckenpumpe (ES-Pumpe) auf dem beanspruchten Wege lösen. Dieser Lösungsweg läßt sich der einschlägigen Fachliteratur nicht entnehmen, steht vielmehr im Widerspruch zu deren Angaben.

8098U/0U1

So schreibt G. Leuschner in "Kleines Pumpenhandbuch für Chemie und Technik", Verlag Chemie 19^7» 23'+, pulverf örniige Trockenstoffe könnten unter entsprechenden Voraussetzungen gefördert werden, sofern sie zwecks Schmierung noch eine gewisse Restfeuchte aufweisen; ein Trockenlaufen müsse unter allen Umständen vermieden werden. Nach Fuchslocher/Schulz, "Die Pumpen", Springer-\'orlag 1959» 2λΗ eignen sich als Fördermittel neben dünnflüssigen auch zähe Medien sowie Flüssigkeiten mit sandigen oder anderen feinkörnigen oder faserigen Beimengungen; so auch Chem,-Ing.-Teclin. 37, k$ (1965). Auch Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie nennt im 1. Band 1951 » 8^ Stoffe mit bis zu 10 Jo^-Festsubstanz sowie Schlämme, im 3· Band 1973» 170 dünnflüssige und sehr zähe, gerade noch fließende Medien. Übereinstimmend damit folgt aus Pumps - Pompes - Pumpen 16, 380 bis 385 (1967), daß auch Feststoff-Flüssigkeitsgomische förderfähig sind, darunter Medien mit großem Feststoffgehalt, wobei die ES-Pumpen aber auf keinen Fall trockenlaufen dürfen, weil die nicht abzuführende Reibungswärme die Statorenberührungsflache verbrennt; man empfiehlt daher einen Trockenlaufschutz, z.B. in Form einer Fremdwas s erzuführung.

Aus diesem Stand der Technik war ein einhelliges Vorurteil gegen die beanspruchte Förderung von Feststoffen in ES-Pumpen herzuleiten.

Als ES-Pumpe gilt eine rotierende Verdrängungspuinpe, deren schraubenförmig gewundener Rotor von kreisförmigem Querschnitt in einem meist aus einem Elastomeren gefertigten Stator arbeitet, der ebenfalls schraubenförmig gewunden ist, aber länglichen Querschnitt und doppelte Ganghöhe aufweist, so daß axial wandernde, abgeschlossene Hohlräume entstehen, die durch eine Dichtungslinie begrenzt sind und einen kontinuierlichen Förderstrom bewirken.

Als pulverförmiger, erfindungsgemäß förderbarer Feststoff gilt ein solcher, der trockenschmierende (selbstschmierende)

8O98U/0U1

- 6 - O₁Z?,, 2969

20."0^.77

Eigenschaften besitzt, beispielsweise Talkum, Graphit und Ruß, mithin an Stoff, dessen Teilchen nach einer Druckausübung nicht dazu neigen, aneinander zu haften.

Ein erfindungsgemäß geeigneter Stoff ist weiterhin TPS, insbesondere solche, wie man sie erhält, wenn man p-Xylol in Gegenwart von Lösungsmitteln wie aliphatische Carbonsäuren, Acetaldehyd, Methylethylketon in Anwesenheit von Schwermetallionen mittels Luft oxidiert und bevorzugt eine solche, bei deren Herstellung man p-Xylol in essigsaurer Lösung in Anwesenheit von Schwermetall- und Bromionen mit Luft oxidiert gemäß DT-AS 1 643 827. Erfindungsgemäß lockert man den Feststoff in der Aufnahmekammer der Pumpe mittels einer mechanischen oder pneumatischen Einrichtung auf.

Bei Verwendung einer pneumatischen Auflockerung eignet sich als Fluidgas joder gasförmige Stoff, der das Pumpenmaterial nicht angreift, sich gegenüber dem zu fördernden Stoff inert verhält und in den gegebenenfalls anschließenden Apparaten, in dio der Feststoff gefördert wird, die Umsetzungen nicht stört. Häufig kann man daher, falls keine Staubexplosion erfolgen kann, mit trockener Luft oder aber mit Stickstoff arbeiten.

Man bemißt die Gasmenge so, daß bezogen auf den Anströmboden eine spezifische Flächenbelastung von 0,5 bis 6, bevorzugt 1 bis 5, insbesondere 2 bis k m^J Gas/min und m Auflockerungsfläche eingestellt ist.

Das einströmende Gas lockert die feinkörnige Schichtung des Fördergutes auf und verhindert damit die Zusammenbackung und Brückenbildung des Fördergutes in der Aufnahmekammer. Das aufgelockerte Fördergut fließt ähnlich wie eine Flüssigkeit gut nach. Im allgemeinen werden nur Minimalmengen des Fluidisierungsgases jeweils im oberen Teil des Kammertotraumes mitgefördert. Das über die Kammertoträume transportierte Fluidisierungsgas strömt am Pumpenaustritt aus und vereinigt sich

8098U/0U1

- 7 - O.Z. 2969

20.04.77

dort gegebenenfalls mit dem Spülgas.

Die Auflockerung des Fördergutes in der Aufnahmekammer stellt sich ein, wenn die Kräfte des einströmenden Gases die Schwerkraft der Schüttung aufheben. D.h. der Gasdruck richtet sich nach der Schütthöhe und dem Schüttgewicht des Fördergutes. Im Falle der Terephthalsäure (Schüttgewicht =0,8 kg/l) sind bei

einer angenommenen Schütthöhe von 1 m 0,08 bar pro cm erforderlich.

Der Gasdruck in den Hohlräumen entspricht dem Druck in der Pumpeneinzugszone. Der weitaus größte Teil des Fluidisierungsgases durchdringt von unten nach oben das Schüttgut und wird oberhalb der Aufnahmekammer abgezogen; nur ein verschwindend geringer Teil dieses Gases durchläuft die Pumpe. Als zweckmäßig hat sich herausgestellt, daß man das Gas nach oben durch den aufgesetzten Zuführungstrichter für das Fördergut entweichen läßt.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß man sich, um die pneumatische Auflockerung zu erzielen, der an sich bekannten Fluidisierung bedient: Wird die Schüttung eines feinkörnigen Feststoffes von ihrer Unterlage, dem sogenannten Anströmboden her, von einem Gas mit zunehmender Geschwindigkeit durchströmt, so steigt der Druckverlust des Gases über die Höhe der Schüttung mit wachsender Geschwindigkeit an, bis sich plötzlich am sogenannten Lockerungspunkt die Feststoffschüttüng auflockert und in den Fließzustand übergeht. In diesem Zustand (auch Wirbelschicht, Fließbett oder Fluidatbett genannt) beginnt die Schicht sich aufzublähen, zu expandieren, zu brodeln. Es treten dabei ähnliche Erscheinungen wie bei einer siedenden Flüssigkeit auf, z.B. brechen durch die Schicht Gasblasen oder auch schlauchartige Kanäle durch.

Da man erfindungsgemäß mit der Einperlung des Gases in das Fördergut lediglich eine Brückenbildung bzw. ein Zusammen-

8098U/0U1

- 8 - O. Z. 2969

20.0^.77

backen des Feststoffes in der Aufnahmekammer verhindern will, muß man bei gut rieselfähigen Produkten nicht die gesamte Schicht des feinkörnigen Feststoffes in den Zustand einer idealen Wirbelschicht bringen. Es genügt, wenn dieser Zustand der Auflockerung bzw. Aufblähung sporadisch an beliebigen, d.h. praktisch immer wechselnden Punkten des Fördergutes auftritt. Gegebenenfalls kann man das Auflockerungsgas sektionsweise einblasen, d.h. man kann mit einer relativ geringen Gasmenge arbeiten, wobei ein pulsierender Effekt erzielt wird (pulsierende Gaszufuhr = quasi homogene Wirbelschicht).

Die Fluidisierung der Feststoffe gelingt, indem man das Gas beispielsweise durch Düsen einleitet. Bevorzugt vorwendet man hingegen einen Anströmboden. Dieser soll dem Durchströmen des Gases hinreichend Widerstand entgegensetzen, damit im Gasraum unterhalb des Bodens trotz begrenzter Zahl von Gaseinspeisestellen der gleiche Vordruck herrscht. Auch soll das Gas gleichmäßig verteilt sein, und über dem Boden soll der Feststoffteilchenströmung ein möglichst geringer Widerstand entgegengesetzt werden.

Demzufolge kann der Anströmboden verschiedenartig ausgeführt sein. Beispielsweise kann er aus einem flexiblen Werkstoff bestehen wie Natur- und Kunstfasern, Metallgewebe, poröses Polyethylen, Polystyrol, Polytrichlorethylen oder Polytetrafluorethylen, oder aus einem starren Werkstoff wie porösen Keramiksteinen, Kunststoffplatten, Sintermetallen oder feingelochten (z.B. elektrolytisch gelochten) Edelstahlplatten.

Die Porosität soll so gewählt sein, daß kein Fördergut in die feinen Kanäle eindringen kann; für die Förderung von TPS ist eine Porengröße von etwa 5 bis 10yu brauchbar.

Anstelle der pneumatischen·Auflockerung, die in Abbildung 1 dargestellt ist, kann man die Fluidisierung des Fördergutes erfindungsgemäß auch erreichen, indem man das Fördergut in der

8098U/0U1

- 9 - O. Z. 2

20.Ο**.77

Aufnahinokamnier mechanisch bewegt. Dies gelingt zweckmäßig mit an der Welle angebrachten Rührflügeln, wie sie als Pos. 1'f in Abbildung 2 dargestellt sind.

Besonders in solchen Fällen, in denen man den pulverförmigen Feststoff in einen unter Druck stehenden Apparat fördert, ist es vorteilhaft, daß man den Pumpenaustritt mit einem Gas bespült. Dies ist z.B. möglich, indem man an den Pumpenausgang ein Übergangsstück anschließt, in das man einen schwachen Strom eines Gases einleitet, zweckmäßig des gleichen, das man zur Fluidisierung benutzt. Dadurch vermeidet man, daß bei Pumpenstillstand ein möglicherweise heißer und im Pumpeninneren kondensierender gasförmiger Reaktionsteilnehmer aus dem Apparat zurückschlägt.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, daß man das Übergangsstück zwischen der Pumpe und dem Apparat kühlt, beispielsweise durch einen Vassermantel. Durch eine solche Kühlung kann man vermeiden, daß ein heißer angeschlossener Apparat den wärmeempfindlichen Stator schädigt oder auf den geförderten Feststoff frühzeitig unerwünscht einwirkt.

Beispiel

Bei der im technischen Maßstab durchgeführten Luftoxidation von p-Xylol in essigsaurer Lösung, in Gegenwart von Schwermetall- und Bromionen trennt man die TPS durch Filtration oder durch Zentrifugierung aus dem Oxidationsgemisch ab und wäscht sie mLt Essigsäure (HAc). Man trocknet die HAc-feuchte TPS anschließend in einem Trockner üblicher Bauart (Stromtrockner, Wirbelschichttrockner, Bandtrockner, Durchlauftrockner). Die aus dem Trockner austretende TPS ist praktisch staubtrocken (Restfeuchte <0,1 %), sie hat außerdem eine Temperatur von 90 bis 100°C. (Korngröße: 30 bis 100/u).

Man fördert und dosiert diese TPS in eine 320 bis 33O°C heiße Veresterungsapparatur, welche unter einem Überdruck von 1 bar steht, gemäß DT-AS 2 22*1 869 oder 2 261 333, mittels einer ES-Pumpe. . ν

8098U/0U1

- 10 - O. Z. 2S>f>9

20.0^.77

Das eigentliche Pumpenaggregat besteht gemäß Abbildung 1 aus dem aus Edelstahl gefertigten Rotor (i)_t welcher von einem Elektromotor mit stufenloser Drehzahlregulierung (2) angetrieben wird, und aus dem Stator (3)» der aus elastischem Material, wie z.B. Naturgummi, Butylkautschuk, NEOPREN, In^-PALON, VITON, Weich-PVC usw. hergestellt ist. Man fluidisiert die aus dem Vorratsbehälter (4) in die Aufnahmekammer der Pumpe (5) einlaufende heiße TPS zur Vermeidung von Brückenbildung und Verfestigungen mit Stickstoff. Zu diesem Zweck perlt man einen Stickstoffstrom (6) über die Bodensinterplatte (7) in den Pumpenraum (5) ein. Die ES-Pumpe ist selbstansaugend; die in Richtung von der Saugseite zur Druckseite geförderte TPS gelangt beim Austritt aus der Pumpe in das Übergangsstück (8), welches man mit einem schwachen Stickstoffstrom (9) bespült, damit bei Unterbrechung der TPS-Fördorung einerseits kein 320 bis 33O°C heißer Methanoldampf aus dem Wirbelofen (1O) in den Pumpenkopf gelangt und dabei das elastomere Material des Stators schädigt und damit andererseits keine Ablagerungen von TPS bei gleichzeitiger Anfeuchtung der TPS durch kondensierendes Methanol im Zwischenstück (8) auftreten. Zum weiteren Schutz des temperaturempfindlichen Stators gegen die hohe Temperatur im Wirbelofen (1O), in welchen über Zuleitung (11) ein auf 32O bis 33O°C heißer CH„OH-Dampfstrom eingefahren wird, kann man das zwischen Pumpe und Wirbelofen befindliche Zwischenstück (8) mit Wasser (12) kühlen.

Der Fördorfluß der TPS, welcher proportional der Drehzahl ist, ist völlig pulsationsfrei. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für eine optimale Umsetzung des pulverförmigen Feststoffes im nachfolgenden Apparat erfüllt, im gewählten Beispiel eine stetige Veresterung der TPS mit dampfförmigem M. Auch bei Einsatz dieser pulverförmigen TPS entfallen die sonst üblichen Hilfsmittel wie Rückschlagklappen, Ventile, Auffüllen der Saugleitung usw.. Besonders bemerkenswert ist, daß keine Zerstörung des elastischen Statormaterials durch Reibung und Wärmestau ein-

8098U/OU1

- 11 - O.Z. 2969

20.04.77

tritt, obwohl man an Stelle clor sonst üblichen Fördcrflüssigkeit ein völlig trockenes, pulverförmig-kristallines Produkt zwischen Stator und Rotor transportiert. Unter den angegebenen Bedingungen läßt sich auch nach einer Laufzeit von 1 000 und mehr Stunden keine Zerstörung oder gravierende Abnutzung des Stators beobachten, und dies, obwohl die aus dem Trockner der Oxidationsstufe stammende TPS eine Temperatur von etwa 100 C hat und obwohl die Pumpe unmittelbar mit einem 320 bis 330 °C heißen, unter Überdruck stehenden System verbunden ist. Man kann die Förderung der TPS durch Abstellen der Pumpe unterbrechen; dabei bleibt während der Stillstandzeit der sichere Druckabschluß gegen das Veresterungssystem erhalten. Durch Zuschalten der Pumpe stellt man momentan, d.h. ohne zusätzliche Maßnahme, den gleichmäßigen Mengenfluß wieder her. Wertvoll ist ferner, daß auch Nichtfachleute erforderlichenfalls den Stator kurzfristig auswechseln können. Durch Einbau eines Ventils, wie z.B. eines Kugelhahns (i3)t zwischen Pumpe und Virbelofen gelingt dies auch bei laufendem Betrieb, d.h. ohne Abstellung der M-Zufuhr und ohne Entspannung des Systems.

8098U/0U1

Claims

- /- O. Z. 2969

20.04. 77"

Patentansprüche

Verfahren zum dosierenden Fördern pulverförmiger Feststoffe mittels einer Exzenterschneckenpumpe,

dadurch gekennzeichnet, daß

man die pulverförmigen Feststoffe in der Aufnahmekamraor der Pumpe pneumatisch oder mechanisch auflockert.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

man zvecks pneumatischer Auflockerung das Gas durch eine
Bodensinterplatte einbringt.
3« Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

man zwecks mechanischer Auflockerung die Feststoffe mittels an der Pumpenwelle angebrachten Rührflügeln fluidisiert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

man den Pumpenaustritt mit einem Gas bespült.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3»

dadurch gekennzeichnet, daß

man den Pumpenaustritt kühlt.

8098U/0U1 ORIGINAL INSPECTED