-
Die Erfindung betrifft Verbesserungen in der Stabilisierung
-
einer Wirbelschicht aus Feststoffteilchen, die bei einem Verfahren
verwendet wird, bei dem Wärme abgegeben oder aufgenommen wird. Die Erfindung betrifft
insbesondere ein Verfahren, bei dem eine magnetstabilisierte Wirbelschicht aus Feststoffteilchen
periodisch ausreichend destabilisiert wird, so daß zur Verringerung oder Entfernung
unerwünschter in der Wirbelschicht entstandener Temperaturgradienten eine gewisse
Mischung der Teilchen der Wirbelschicht eintritt, während gleichzeitig verhindert
wird, daß eine derartig große Instabilisierung der Wirbelschicht eintritt, daß diese
die bekannten Phänomene des "Siedens" oder der Blasenbildung,wie sie bei einer instabilen
Wirbelschicht typisch sind, zeigt.
-
Bei einem Verfahren, bei dem eine Wirbelschicht aus Feststoffteilchen
durch ein durch die Wirbelschicht strömendes Gas aufgewirbelt wird, bei dem die
Wirbelschicht durch darin enthaltene diskrete magnetisierbare Teilchen stabilisiert
wird und die Wirbelschicht einem im wesentlichen gleichmäßigen Magnetfeld ausgesetzt
ist, werden also Temperaturgradienten,
die in der Wirbelschicht
auftreten, wenn das die Wirbelschicht verwendende Verfahren mit der Abgabe oder
der Aufnahme von Wärme verbunden ist, durch periodische, in cyclischer Weise durchgeführte
Entfernung des Magnetfeldes verringert. Die Entfernungszeit, das heißt die Zeit
der Nichtanwendung des Magnetfeldes reicht aus, die Wirbelschicht im Hinblick auf
die Position der aufgewirbelten Teilchen zu destabilisieren, so daß sich die Teilchen
in der Wirbelschicht hin und her bewegen. Die Entfernungszeit bzw. die Zeit der
Nichtanwendung des Magnetfeldes ist jedoch nicht so lang, daß die destabilisierte
Wirbelschicht "siedet" oder eine Blasenbildung zeigt. Das Verhältnis der Zeiten
der Anwendung und der Nichtanwendung des magnetischen Feldes ("on" time to "off"
time) liegt im allgemeinen im Bereich von etwa 4:1 bis 4000:1.
-
Es ist allgemein bekannt, daß wenn ein Gasstrom mit einer ausreichenden
Strömungsgeschwindigkeit von unten nach oben durch ein Bett aus Feststoffteilchen
strömt, sich die Teilchen in dem Bett oder der Schicht frei bewegen anstatt aufeinanderzuliegen
und sich die Wirbelschicht ähnlich wie eine Flüssigkeit verhält. Diese fluidisierten
oder aufgewirbelten Feststoffteilchen zeigen den Auftrieb von schwimmenden Gegenständen,
Oberflächenwellen und andere normalerweise mit Flüssigkeiten verbundene Eigenschaften.
Derartige
herkömmliche Wirbelschichten ergeben eine hohe Mischgeschwindigkeit
und eine hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeit, was sie bekanntlich für verschiedene
Trocknungsverfahren, Röstverfahren und chemische sowie Erdöl verarbeitende Verfahren
geeignet macht. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Wirbelschicht bei diesen
Verfahren liegt darin, daß die kontinuierliche Zu- und Abführung von die Wirbelschicht
bildenden Feststoffen ein geeignetes Mittel zur Entfernung von durch das Zerbrechen
von Feststoffteilchen gebildeten Feinanteilen und verbrauchten Katalysatorteilchen
ist, wenn die aufgewirbelten Feststoffteilchen in katalytischer Weise verwendet
werden.
-
Ein ernsthafter Nachteil von durch Gas aufgewirbelten Feststoffen
ist der, daß bei Erhöhung der Gasströmungsgeschwindigkeit über einen Minimalwert
in der Wirbelschicht Blasen gebildet werden. Eine Blasen enthaltende Wirbelschicht
besitzt Bereiche mit geringer Feststoffdichte, die als Gasblasen bezeichnet werden.
Die Bildung von Blasen führt zu Bypass, Zusammenballungen und Kanalbildung, was
wiederum zum Verlust des innigen Kontakts zwischen dem strömenden Medium und den
Feststoffen führt, den man in einem Wirbelschichtverfahren erwartet.
-
In der Vergangenheit sind verschiedene Verfahren zur Stabilisierung
von Wirbelschichten vorgeschlagen worden, indem die
Blasenbildung
oder das "Sieden" verhindert wird. Für diesen Zweck sind unter anderem Koronaentladungen
(US-PS 3 304 249) und die Anwendung von Magnetfeldern (US-PS 3 439 899 und 3 440
731) vorgeschlagen worden. In Veröffentlichungen von Ivanov und Mitarbeitern sowie
in einer Veröffentlichung von Sonoliker et al wird die Anwendung eines durch einen
Direktstromelektromagneten (nicht zeitlich veränderter Strom) erzeugten Magnetfeldes
zum Aufwirbeln von Eisen- oder Eisen/ Chrom-Teilchen, wie sie bei der Ammoniaksynthese
oder der Kohlenmonoxidkonvertierung verwendet werden, beschrieben.
-
Diese Veröffentlichungen umfassen: Sonoliker et al, Indian Journal
of Technology, 10, 377-379 (1972); Ivanov et al, Zhurnal Prikladnoi Khimii, 43,
2200-2204 (1970); Ivanov et al, Zhurnal Prikladnoi Khimii, 45, 248-252 (1972); Ivanov
et al, International Chemical Engineering, 15, 557-560 (1975) (auch veröffentlicht
in Chemical Industry, 11, 856-858 (1975)) und The Soviet Chemical Industry, 6, 713-715
(1974); Ivanov et al, Comptes rendus de l'Academie bulgare des Science, Tome 25,
Nr. 8, 1053-1056 (1972) und Ivanov et al, Comptes rendus de l'Academie bulgare des
Science, Tome 23, Nr. 7, 787-790 (1970). Z.I. Nekrasov und V.V. Chekin beschreiben
in ihren Artikeln in Izv. Akad. Nauk. USSR, Otdel, Tekh, Nauk, Metallurgiya i Toplivo,
6, 25-29 (1961) und 1, 56-59 (1962), daß die Bildung von Blasen und Zusammenballungen
in einer Wirbelschicht über einen weiten Str(5mungsgeschwindigkeitsbereich
durch
ein seitlich angewendetes,variables Magnetfeld aufgrund der Wechselwirkung dieses
Feldes mit den aufgewirbelten ferromagnetischen Teilchen verhindert werden kann.
-
Mitarbeiter der Brookhaven Laboratories, M. Katz und J.T.
-
Sears, Can. J. Chem. Eng. 47, 50-53 (1969) haben ein Verfahren zur
Stabilisierung einer Wirbelschicht aus dielektrischen Teilchen durch Verwendung
eines elektrischen Feldes beschrieben. Danach wurde beobachtet, daß Wirbelschichten
aus Glasperlen und Silicagelteilchen sich bei Strömungsgeschwindigkeiten (und Druckabfällen)
des aufwirbelnden Gases bis zum 15-fachen der normalen Anfangsaufwirbelströmungsgeschwindigkeit
wie Festbetten verhalten. Katz und Sears weisen außerdem auf die Verwendung eines
aufgezwungenen axialen Magnetfeldes (nur in einer oder in wechselnder Richtung)
zur Stabilisierung einer Wirbelschicht aus Eisenteilchen hin, geben aber an, daß
die Eisenteilchen unter dem Einfluß eines starken Magnetfeldes in Form von Zusammenballungen
vorliegen.
-
Eine neuere Lösung des Problems ist die in der BE-PS von R.E. Rosensweig
vorgeschlagene.
-
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung des in der BE-PS
834 384 vorgeschlagenen Verfahrens dar, wenn sie auf Verfahren angewendet wird,
bei denen ein Wärmetransport entweder durch Abgabe von Wärme oder durch Aufnahme
von Wärme stattfindet.
-
Gemäß der BE-PS 834 384 enthält die Wirbelschicht aus Feststoffteilchen
eine Vielzahl von separaten, diskreten, magnetisierbaren Teilchen und die Wirbelschicht
wird durch einen von unten nach oben in der üblichen Weise die Wirbelschicht durchströmenden
Gasstrom aufgewirbelt. Die Wirbelschicht wird einem im wesentlichen gleichmäßigen
Magnetfeld ausgesetzt, das eine wesentliche vertikale Komponente besitzt.
-
Die Stärke des Magnetfeldes und seine Abweichung von einer vertikalen
Orientierung werden aufrechterhalten, um die Bildung von Blasen in der Wirbelschicht
bei der herrschenden Gasströmungsgeschwindigkeit und den verwendeten Feststoffteilchen
zu verhindern. Dies erlaubt Gasdurchsatzgeschwindigkeiten, die 10 bis 20 mal größer
als die Gasströmungsgeschwindigkeit am Beginn der Aufwirbelung bei Nichtanwendung
des magnetischen Feldes sind, ohne daß Blasen gebildet werden.
-
Ein derartiges magnetstabilisiertes Medium erscheint wie ein expandiertes
Festbett. In ihm gibt es keine Umwälzung der gesamten Feststoffe und nur einen geringen
oder gar keinen Gas-Bypass. Eine Schicht des magnetstabilisierten Mediums besitzt
viele Eigenschaften der normalen Wirbelschicht. Der Druckabfall ist praktisch gleich
dem Gewicht des Bettes bzw. der Schicht und unabhängig von der Gasströmungsgeschwindigkeit
oder der Teilchengröße. Diese Medien sind fließfähig und erlauben somit einen kontinuierlichen
Feststoffdurchsatz.
-
Betten aus magnetstabilisierten Medien besitzen außerdem
einige
der Eigenschaften von Festbetten. So kann das Kontaktieren im Gegenstrom leicht
durchgeführt werden. Ferner ist der Gas-Bypass gering oder gar nicht vorhanden,
wodurch hohe Ausbeuten erzielbar sind. Schließlich ist der Abrieb minimal.
-
Wenngleich magnetstabilisierte Wirbel schichten eine Reihe von Vorteilen
sowohl gegenüber Festbetten als auch herkömmlichen Wirbelschichten besitzen, zum
Beispiel geringer Teilchenabrieb und hohe Strömungsgeschwindigkeiten bei geringen
Druckabfällen, weisen sie jedoch dadurch einen erheblichen Nachteil auf, daß sie
den Wärmetransport sowohl zwischen der Wirbelschicht und den sie umgebenden Wänden
als auch innerhalb der Wirbelschicht zu in die Wirbelschicht eintauchenden Objekten
bzw. von diesen weg zur Entfernung von Wärme oder zur Zuführung von Wärme zu den
aufgewirbelten Teilchen nur in einem setzt beschränkten Ausmaß erlauben. Dieser
stark beschränkte Wärmetransport in derartigen Wirbelschichten hat nur geringe oder
gar keine Auswirkungen in den Fällen, wo die Wirbelschichten in Verfahren verwendet
werden, die keine große Abgabe oder Aufnahme von Wärme mit sich bringen.
-
Bei der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungen von Wirbelschichten
treten jedoch chemische Reaktionen und/oder physikalische Veränderungen ein, die
von thermischen Effekten begleitet werden, wie zum Beispiel beim Verdampfen oder
Trocknen oder bei exothermen oder endothermen Reaktionen.
-
Erhebliche Temperaturanstiege in den Wirbel schichten können jedoch
aus vielen Gründen unerwünscht sein. Sie können beispielsweise zur thermischen Zersetzung
der durch die Wirbelschicht strömenden Substanzen führen, Veränderungen in der Selektivität
von chemischen Reaktionen bewirken und zu einer thermischen Zerstörung der Teilchen
in der Wirbelschicht führen und dadurch deren Lebensdauer verkürzen. Wenn die Temperaturen
über die Curie-Temperatur der magnetischen Teilchen in der Wirbelschicht ansteigen,
verlieren diese darüber hinaus ihre magnetischen Eigenschaften, so daß eine Stabilisierung
der Wirbelschicht mit einem Magnetfeld nicht mehr möglich ist. Ferner können heiße
Bereiche in der Wirbelschicht eine derartige Gasexpansion bewirken, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit
in diesen Bereichen die maximale Strömungsgeschwindigkeit übersteigt, bei der bei
vorgegebener Magnetfeldstärke eine magnetische Wirbelschichtstabilisierung erreicht
werden kann.
-
Entsprechend können in solchen Fällen, bei denen während des Verfahrens
in der magnetstabilisierten Wirbelschicht keine Wärme freigesetzt sondern absorbiert
wird, erhebliche Temperaturabfälle in örtlich begrenzten Bereichen zu unerwünschten
Auswirkungen führen, beispielsweise zu einer Verringerung der Geschwindigkeit der
chemischen Reaktion, einer Verringerung der Geschwindigkeit der physil~alischen
Veränderung, zur
Kondensation einer normalerweise gasförmigen Komponente
eines durch die Wirbelschicht strömenden Mediums und zu Veränderungen der Selektivität
von chemischen Reaktionen unabhängig davon, ob man mit oder ohne Katalysator arbeitet.
-
ueber die genannten Probleme hinaus macht es das nichtisotherme Verhalten
von magnetstabilisierten Wirbelschichten schwierig, das Verhalten derartiger Wirbelschichten
sowohl hinsichtlich der physikalischen als auch der chemischen Eigenschaften vorauszusagen.
-
Die Erfindung liefert nun ein Verfahren zur Verbesserung der thermischen
Eigenschaften von magnetstabilisierten Wirbelschichten und löst das Problem der
Temperaturgradienten in solchen Wirbelschichten, ohne daß die Vorteile solcher Wirbelschichten
verlorengehen.
-
Dieses neue Verfahren zur Regulierung der thermischen Eigenschaften
von magnetstabilisierten Wirbelschichten besteht darin, daß das stabilisierende
Magnetfeld periodisch aus der Wirbelschicht entfernt und dann erneut angewendet
wird. Die relative Dauer der Anwendung und der Nichtanwendung des Magnetfeldes bestimmt
sich aus den Eigenschaften der Wirbelschicht und der Art des Prozesses, der in der
Wirbelschicht abläuft. Je exothermer oder endothermer der Prozeß ist, desto
geringer
muß das Verhältnis der Zeiten der Anwendung und der Nichtanwendung des magnetischen
Feldes sein. Dieses Verhältnis kann im Bereich von etwa 4:1 bis 4000:1 liegen, aber
der bevorzugte Bereich liegt bei 8:1 bis 400:1. Die physikalischen Parameter der
magnetstabilisierten Wirbelschicht (das sind Teilchengröße und -typ, Strömungsgeschwindigkeit
und physikalische Eigenschaften des strömenden Mediums, Wirbelschichtgröße und -geometrie
und Stärke, Orientierung und Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes) bestimmen die absolute
Dauer der Nichtanwendung des Magnetfeldes. Jeder Fall erfordert eine eigene Bestimmung
unter dem Kriterium, daß die Nichtanwendung des Magnetfeldes enden muß, bevor das
für nichtstabilisierte Wirbelschichten typische "Sieden" bzw. die Blasenbildung
eintritt.
-
Die Verfahrensweise ist zyklisch, das heißt Anwendung und Nichtanwendung
des Magnetfeldes folgen regelmäßig aufeinander.
-
Während der Anwendungsphase des Magnetfeldes beginnt die magnetstabilisierte
Wirbelschicht Temperaturgradienten zu entwickeln. Bevor diese Gradienten bedeutungsvoll
werden, setzt die Nichtanwendungsphase des Magnetfeldes ein, während der sich die
Teilchen in der Wirbelschicht ausreichend mischen, so daß jegliche bei der Anwendungsphase
des Magnetfeldes aufgetretenen Temperaturgradienten beseitigt werden.
-
Dann folgt wieder die Anwendungsphase des Magnetfeldes,
woraufhin
sich wiederum Temperaturgradienten auszubilden beginnen. Diese werden aber wiederum
während der folgenden Nichtanwendungsphase des Magnetfeldes beseitigt. Anwendung
und Nichtanwendung des Magnetfeldes sowie die Bildung von Temperaturgradienten und
deren Beseitigung wiederholen sich also fortlaufend.
-
Bei der Durchführung dieses Verfahrens zur Erzielung einer magnetstabilisierten
Wirbelschicht, die im wesentlichen frei von unerwünschten Temperaturgradienten ist,
müssen die Länge und die Frequenz der Anwendungsphasen und der Nichtanwendungsphasen
des Magnetfeldes sorgfältig ausgewählt werden. Die Länge und die Frequenz der Anwendungs-
und Nichtanwendungsphasen des Magnetfeldes können für die gewünschte Verfahrensdurchführung
experimentell bestimmt werden und die Wirbelschicht kann dann bei diesen festgelegten
Bedingungen von sich wiederholender Magnetfeldanwendung und -nichtanwendung betrieben
werden. Alternativ kann das Magnetfeld so lange angewendet werden, bis thermische
Sensoren eine ausreichende Abweichung von der gewünschten Temperatur oder den annehmbaren
Temperaturgradienten anzeigen, woraufhin die Nichtanwendungsphase des Magnetfeldes
für die gewünschte Dauer folgt und anschließend das Magnetfeld wieder angewendet
wird usw. In diesem Fall wird das Verhältnis der Anwendungs- und der Nichtanwendungsphase
des Magnetfeldes nicht im voraus bestimmt
und nicht fixiert, sondern
das Verhältnis bestimmt sich nach dem Verhalten des Prozesses zu jedem gegebenen
Zeitpunkt.
-
Im allgemeinen übersteigt die Dauer der Nichtanwendungsphase des Magnetfeldes
die doppelte Verweilzeit des aufwirbelnden Gases in der Wirbelschicht nicht, sondern
ist vorzugsweise in etwa gleich der Verweilzeit des Gases. Die Verweilzeit in den
meisten Wirbelschichten beträgt weniger als 20 Sekunden und häufiger 4 bis 10 Sekunden.
In dem weiter unten folgenden 2 Beispiel, bei dem die Wirbelschichtfläche etwa 20
cm und die Gasströmungsgeschwindigkeit etwa 73,3 ml/Sekunde betrugen, betrugen die
Verweilzeit des Gases etwa 4 Sekunden und die Dauer der Nichtanwendungsphase des
Magnetfeldes 2 Sekunden.
-
Im allgemeinen bestimmt sich die minimale Dauer der Nichtanwendungsphase
des Magnetfeldes nach dem gewünschten Ausmaß der Durchmischung der Feststoffteilchen
und den praktischen Beschränkungen durch ein Steuerungssystem für die kurzen Zeiten
der Nichtanwendungsphasen des Magnetfeldes. Die Dauer der Anwendungsphase des Magnetfeldes
bestimmt sich nach dem Ausmaß des Temperaturanstiegs oder der Temperaturabnahme
oder dem gewünschten oder als bei dem speziellen Prozeß als zulässig erachteten
Konzentrationsprofil (concentrates profile).
-
Es sei daran erinnert, daß die Erzielung der Feststoffteilchendurchmischung
ohne eine Blasenbildung in der Wirbelschicht der Hauptgesichtspunkt des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist.
-
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert
werden; es zeigen: Fig. 1 eine vergleichende schematische Darstellung der magnetstabilisierten
Wirbelschicht mit einer gewöhnlichen nichtstabilisierten Wirbelschicht; Fig. 2 eine
grafische Darstellung eines Dreiphasendiagramms aufweisend (1) den festen nichtaufgewirbelten
Bereich, (2) den stabilisierten, aufgewirbelten Bereich (den Arbeitsbereich oder
den Bereich des erfindungsgemäßen Verfahrens) und (3) den aufgewirbelten Bereich
mit Blasenbildung als eine Funktion der angewendeten Magnetfeldstärke und der Stabilisierungsgeschwindigkeit.
-
Es wurde gefunden, daß durch Verwendung von magnetisierbaren Feststoffteilchen
in der Wirbelschicht und Anwendung eines gleichmäßigen, zeitlich stabilen Magnetfeldes,
das, wie auf der rechten Seite in Fig. 1 dargestellt, parallel zur Strömungsrichtung
des Gases orientiert ist, eine stabilisierte, nicht fluktuierende und im wesentlichen
blasenfreie Wirbelschicht über einen erheblichen Bereich von Gasströmungsgeschwindigkeiten
erhalten wird. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann das Magnetfeld in geeigneter Weise
durch um das die Wirbelschicht enthaltende Gefäß gewickelte Spulen erzeugt werden,
durch die ein mäßiger direkter elektrischer Strom geleitet wird.
-
Wie sich aus dem Dreiphasendiagramm in Fig. 2 ergibt, ist das Verfahren
zum Betrieb der magnetstabilisierten Wirbelschicht dadurch gekennzeichnet, daß festes,
teilchenförmiges, magnetisierbares und aufwirbelbares Material unter dem Einfluß
des im wesentlichen gleichförmigen Magnetfeldes durch den Strom eines Fluids (wie
zum Beispiel eines Gases) entgegengesetzt zum externen Kraftfeld (z.B. Gravitationsfeld)
aufgewirbelt wird, und zwar bei einer Oberflächenströmungsgeschwindigkeit im Bereich
zwischen: (a) einer größeren als der normalen minimalen Aufwirbelungsoberflächenströmungsgeschwindigkeit
zur Aufwirbelung des Bettes in Abwesenheit des angewendeten Magnetfeldes und (b)
einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit als der Oberflächenströmungsgeschwindigkeit,
die erforderlich ist, zeitabhängige Druckdifferenz fluktuationen in dem stabilisierten
Teil der Wirbelschicht bei der kontinuierlichen Aufwirbelung unter Anwendung des
Magnetfeldes zu bewirken. Die Stärke des Magnetfeldes und dessen Abweichung von
einer vertikalen Orientierung werden aufrechterhalten, um die Blasenbildung in der
Wirbelschicht bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit und bei einer ausgewählten
Art von aufgewirbelten Teilchen zu verhindern und/oder zu unterdrücken. Aus Fig.
2 geht außerdem hervor, daß im Gegensatz zu bekannten Verfahren die normale minimale
Aufwirbelungsströmungsgeschwindigkeit (Linie A-C) durch das angewendete Magnetfeld
nicht beeinflußt wird.
-
Beispiel 1 Ein zylindrisches Wirbelschichtgefäß mit einem Durchmesser
von 5,08 cm wurde mit technischem Nickelkatalysator auf Kieselgur (-80+100 Mesh)
befüllt (statische Betthöhe 15 cm).
-
Das Bett und das Einsatzgas wurden auf 2180C erhitzt. Das Einsatzgas
bestand aus 4,95 Vol.% Kohlenmonoxid, 20,2 Vol.% Wasserstoff und Stickstoff im übrigen.
Bei einer Einsatzgasströmungsgeschwindigkeit von 4,4 Litern/Minute und einem axial
angewendeten Magnetfeld von 508 Gauß war das Bett vollständig aufgewirbelt und vollständig
magnetstabilisiert.
-
Das Magnetfeld wurde 30 Sekunden lang angewendet und dann für 2 Sekunden
entfernt. Anschließend wurde das Magnetfeld wiederum 30 Sekunden angewendet und
2 Sekunden entfernt.
-
Dies wiederholte sich laufend. Nach wenigen Minuten dieser zyklischen
Verfahrensweise wurde eine Schichthöhe von 18,2 bis 18,4 cm erreicht. Nach verschiedenen
Zeiten wurden die Wirbelschichttemperaturen in axialer Richtung gemessen. Die Ergebnisse
sind in der folgenden Tabelle 1 wiedergegeben.
-
Tabelle 1 Axiale Wirbelschichttemperaturmessungen (zyklische Verfahrensweise)
Temperatur °C nach der Abstand vom Wirbelschichtboden angegebenen Betriebszeit 13
Min. 33 Min. 58 Min.
-
4 cm 245 246 244 8 cm 246 246 250 12 cm 246 246 249 15 cm 247 247
249 Gaschromatografische Untersuchungen zeigten, daß das austretende Gas im wesentlichen
Methan, kein Kohlenmonoxid und etwas Kohlendioxid enthielt, wobei das letztere 0,34
Mol je 100 Mol Einsatzgas ausmachte. Es fand also eine 100 %ige Umwandlung des Einsatzgases
Kohlenmonoxid im wesentlichen zu Methan und einer geringen Menge Kohlendioxid statt.
Die Wirbelschichttemperaturen stiegen nicht über 2500C und die axialen Unterschiede
waren nicht größer als 60C.
-
Vergleichsbeispiel Die Wirbelschicht des obigen Beispiels wurde mit
gleicher Vorerhitzung, gleichem Katalysator, gleichem Einsatzgas und gleicher Einsatzgasströmungsgeschwindigkeit
betrieben mit dem Unterschied, daß das Magnetfeld konstant mit 508 Gauß
angewendet
wurde und nicht wie zuvor pulsierend eingeschaltet und ausgeschaltet wurde. Nach
einigen Minuten wurde eine Wirbelschichthöhe von 18 cm erhalten. Die axialen Schichttemperaturen
nach 10 und nach 45 Minuten sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
-
Tabelle 2 Axiale Wirbelschichttemperaturmessungen (Gleichgewichtszustand)
Temperatur OC nach der Abstand vom Wirbelschichtboden angegebenen Betriebszeit 10
Min. 45 Min.
-
4 cm 319 307 8 cm 253 246 12 cm 254 247 15 cm 259 249 Gaschromatografische
Untersuchungen des austretenden Gases ergaben kein nachweisbares Kohlenmonoxid,
kein nachweisbares Kohlendioxid und im wesentlichen Methan. Die obigen Ergebnisse
zeigen, daß bei der kontinuierlichen Verfahrensweise ein sehr viel weniger isothermer
Betrieb als bei der pulsierenden Verfahrensweise gemäß Beispiel 1 erhalten wurde,
das heißt eine Differenz der axialen Wirbelschichttemperaturen von 61 bis 66°C gegenüber
einer maximalen Temperaturdifferenz von
6 0C bei der pulsierenden
Verfahrensweise. Die pulsierende Verfahrensweise gemäß Beispiel 1 erlaubt also einen
nahezu isothermen Betrieb. Folglich ermöglicht die pulsierende Verfahrensweise eine
Bewegung der Teilchen in der Wirbelschicht, so daß eine "thermische" Durchmischung
ohne eine zum Gas-Bypass führende Blasenbildung stattfindet.
-
Die gleichmäßigere Wirbelschichttemperatur beim erfindungsgemäßen
Verfahren ist von großem Vorteil, da sie eine bessere Kontrolle von in der Wirbelschicht
ablaufenden Reaktionen erlaubt und hinsichtlich der erwünschten Produkte eine bessere
Selektivität ergibt.
-
Wie in der BE-PS 834 384 beschrieben, wird der weiteste Bereich hinsichtlich
des stabilen Verhaltens des aufgewirbelten Materials in einer Wirbelschicht dann
erhalten, wenn das angewendete Magnetfeld gleichförmig ist. Wenn also ein Magnetfeld
mit einer wesentlichen vertikalen Komponente zur Stabilisierung der Wirbelschicht
angewendet wird, soll die Abweichung des Magnetfeldes bezogen auf das durchschnittliche
Magnetfeld in der Wirbelschicht 125 % nicht übersteigen und vorzugsweise nicht größer
als 50 % und am meisten bevorzugt nicht größer als 10 % sein. Die magnetisierbaren
Feststoffteilchen in der Wirbelschicht haben vorzugsweise eine niedrige Koerzitivkraft,
insbesondere von Null, und können jegliche
ferromagnetischen und
ferrimagnetischen Substanzen wie unter anderem magnetisches Fe304, t-Eisenoxid (Fe203),
Chromdioxid, Ferrite der Form XO Fe203, in denen X ein Metall oder eine Mischung
von Metallen wie Zn, Mn oder Cu ist, ferromagnetische Elemente wie Eisen, Nickel,
Kobalt und Gadolinium sowie Legierungen von ferromagnetischen Elementen enthalten.
Je größer die Magnetisierung M des Teilchens, desto höher ist die Ubergangsgeschwindigkeit
ut bis zu der die Wirbelschicht ohne Blasenbildung betrieben werden kann, wenn alle
anderen Faktoren konstant gehalten werden. Vorzugsweise besitzt ein magnetisierbares
Teilchen eine Magnetisierung von mindestens 10 Gauß.
-
Das aufgewirbelte Material kann im wesentlichen 100 % der magnetisierbaren
Feststoffteilchen oder Mischungen der magnetisierbaren Feststoffteilchen mit nichtmagnetischen
Materialien enthalten. Es können zum Beispiel solche Materialien wie Siliciumdioxid,
Aluminiumoxid, Metalle, Katalysatoren oder Kohle zugemischt werden, ohne daß die
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verlorengehen. Es ist jedoch bevorzugt,
daß der Volumenanteil der magnetisierbaren Teilchen über 25 % liegt.
-
Vorzugsweise besitzt das aufgewirbelte Material eine Teilchengröße
von etwa 0,001 mm bis 50 mm und insbesondere von etwa
0,05 bis
1,0 mm. Teilchen mit größeren Abmessungen sind gewöhnlich schwierig aufzuwirbeln,
während kleinere Teilchen in jedem Wirbelschichtverfahren schwierig zu halten sind,
also leicht ausgetragen werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine Vielzahl von Prozessen,
in denen Wirbelschichten eingesetzt werden können, zum Beispiel für das katalytische
Cracken, für das Hydroformieren, für Isomerisierungsprozesse, für das Verkoken,
für Polymerisationen, für das Hydrofinieren, für Alkylierungen, für partielle Oxydationen,
für Chlorierungen, für Dehydrierungen, für Entschwefelungen, für Reduktionen, für
die Vergasung von Kohle, für die Wirbelschichtverbrennung von Kohle und für das
Verarbeiten von blschiefer.
-
Wenngleich das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand einer
Wirbelschichtkammer beschrieben worden ist, die in Gegenwart eines Gravitationsfeldes
betrieben wird, können natürlich auch andere Kraftfelder verwendet werden, vorausgesetzt,
das zur Aufwirbelung dienende Gas fließt in entgegengesetzter Richtung zum externen
Kraftfeld. So kann das Kraftfeld zum Beispiel durch Zentrifugalkräfte eines rotierenden
Systems oder durch die elektrische Kraft auf geladenes Material in einem elektrostatischen
Feld oder durch die dielektrophoretische Kraft von elektrisch polarisiertem Material
in einem
elektrostatischen Feld mit einem Feldgradienten oder durch
von einem Magnetfeldgradienten hervorgerufene Kräfte oder durch Lorentz-Kräfte,
die aus einem in einem Winkel zu einem Magnetfeld strömenden elektrischen Strom
resultieren, oder durch Kombination dieser Kräfte erzeugt werden.
Leerseite