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Wirbelbett und ein Verfahren zu seiner Ausnutzung
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Die Erfindung betrifft ein Wirbelbett mit einem granulatartige, einem
Glühvorgang odgl. unterworfene, aus Feststoff bestehende Teilchen aufnehmenden sowie
illit einem Abzug versehenen ofenartigen Behälter, wobei ein Gas durch das Teilchenbett
hindurch geleitet wird.
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Es ist bereits ein Wirbelbett mit einem Behälter bekannt, in welchen
fein verteilte, inerte Teilchen, wie z.B. Sand, Aluminiumoxid und ähnliche schmelzbare
Materialien vorhanden sind. Hierbei kann ein Gas, zum Beis:oiel Burst, Dampfstickstoff
odgl. durch das Bett derart hindurchgeführt werden, so daß man einen sogenannten
"Wirbelzustand" einstellen kann, bei welchem die einzelnen Teilchen voneinander
mizkroskopisch getrennt werden können, da das Gas fluktuiert.
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Innerhalb des Wirbelbettes wird zwischen seinen Festkörperteilchen
und Bauteilen, Werkstücken und anderen Objekten, die dort einer Behandlung, beispielsweise
einem Aneglilhen unterliegen,
ein vorteilhafter Wärmeübergangsgradient
geschaffen, eine günstige isotherme Umgebung udgl., so daß das Wirbelbett bzw. das
zugehörige Verfahren neben dem Aus glühen auch in vorteilhafter Weise zur Beseitigung
der flüchtigen Bestandteile an eingebrachten Materialien, zur Ausführung bzw. Förderung
der Kettenbildung zwischen den Molekülen, zur Änderung der nolekularen oder kristallinen
Struktur der Teilchen, zur Ordnung oder Umordnung der Phase udgl. verwendet werden
kann.
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linie Größe der eststoffteilchen im Wirbelbett, die dem Ausglühen
odgl. unt enrorfen werden, kann weniger als 100 Mikron, in bestimmten Pällen aber
weniger als 10 Hikron betragen.
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Ferner ist es wichtig, bei den zugehörigen Verfahren dem Wirbelbett
hitze gleichförmig zuzuführen. Das Verfahren muß auch stets so ausgeführt werden,
daß Vorkehrung getroffen wird, wie die flüchtigen, dem Wirbelbett entnommenen Bestandteile
zu entfernen sind.
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Zur Ausführung solcher Verfahren sind verschiedene handelsübliche
Öfen neben Wirbelbetten bekannt, zum Beispiel Rotationsöfen udgl.
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Wirbelbetten sind technologisch insofern bedeutsam, als sie eine sehr
gleichmäßige Erhitzung und den vorbezeichneten hohen Wärmegradienten (Wärmeübergang
zu den Feststoffkörperchen) aufweisen. Im einzelnen arbeitet ein Wirbelbett derart,
daß ein Gas nach oben sowie durch eine Verteilerplatte hindurch, die Öffnungen,
Durchlässe odgl. enthält, geleitet wird, so daß
der Gasstrom in
diffuser Weise einer Kammer zugeleitet und mit hinreichend @roßer Flußgeschwindigkeit
durch die @ein verteilten Feststoffpartikelchen hindurch geführt wird, mit dem Erfolg,
daß diese voneinander getrennt werden und eine gewisse Beweglichkeit innerhalb des
Bettes gewinnen. Die Teilchen bilden dann eine Art Quasiflüssigkeit und verhalten
sich auch so.
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Der sich hieraus ergebene Betriebszustand, dessen ugehörige Partikelchen
auch ein Fluid bzw. unter Gaseinwirkung fluidisierte Festkörperchen genannt wird
bzw. werden, zeichnet sich durch hohe Wärmekonvektionsgeschwindigkeit von Teilchen
aus als auch zu dem zu erhitzenden oder zu kühlenden Gegenstand bzw. der Gegenstandsoberfläche
hin, mit dem bzw. der diese Teilchen in Berührung kommen.
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Ein solches ofenartiges Wirbelbettsystem hat sich im Handel sur Änderung
von physikalischen und chemischen Eigenschaften von kein verteilten Festkörperchen
bewährt. Die hierbei zun Einsatz konmenden Temperaturen liegen im Bereich von etwa
200° F (36°K) bis etwa 2 000° F (1367°K).
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Ein Nachteil bekannter Wirbelbetten, besonders zur Behandlung fein
verteilter Partikelchen, deren Durchmesser kleiner als 100 Mikron ist, besteht darin,
daß das oberhalb der Wirbelbettkammer abgezogene Gas die Neigung hat, solche Partikelchen
mitzunehmen, so daß es erforderlich wird, Filter, Zentrifugen, Naßreiniger, Elektrofilter
odgl. zur Beseitigung dieses Ubelstandes einzusetzen. Wird bei Temperaturen höher
als 350° F
(450°K) @arbeitet, @@nnen diese be@a@@t@@ @@ @te @e@ce@
nacht das sb@e@@ @@@@ @ar @ei@i@@@, werden @@@@ @ie e@@ä@te Temperatur v@ @quc@@@
oder verteuern über@@@i@ die Gesantan-@@@.
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Der @r@indung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelbettanordnung
bzw. ein Verfahren zu inrem Betrieb anzugeben, durch welche bzw. welches eine verbesserte
Filtrierung des ab@ezogenen Gases bei erhö@ten Tenperaturen möglich wird.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der P a t e n t a n s p r
ü c h e gelöst.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile liegen somit einmal darin, daß dem
Wirbelbett die feinen bzw. feineren Feststoffkörperchen nicht übermäßig entzogen
werden und dem Bett verloren gehen, daß diese Partikelchen nicht als Verunreinigungen
nach außen, zun Beispiel der Atmosphäre zu@efürt werden brauchen, daß das abgezogenen
Gas bei erhöhten Temperaturen gereinigt werdeb kann, daß die Reinigung kontinuierlich
erfolgt, auch derart, daß de@ Betrieb des Wirbelbettes nicht oder nicht nennenswert
unterbrochen zu werden braucht, so daß auch der thermische Wirkungsgrad der Wirbelbettanlage
erhöht bzw. weniger Heizenergie verbraucht wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen Erfindung werden enhand der
nachfolgenden
Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in Seitenansicht, schematisch vereiniacht,
eine Wirbelbettanordnung mit einem als Glünstufe dienenden Wirbelbett, de zugehörigen
Filtersystem zum Betrieb bei @oner Temperatur, ein Kühlaggregat für ein Wirbelbett
bzw. als Wirbelbett und das Filtersystem zum Betrieb bei honer Temperatur für die
letztere Einheit.
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Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise mit abgebrochenen Teilen eines
Wirbelbettes mit der Wirbelkammer Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch Bauteile
des Filtersystems, die hoher Temperatur unterworfen sind i LL einen Schnitt nach
Linie4-4 der Figur 3 Fig. 5 einen Schnitt nach Linie 5-5 der Figur 3 uW Fig. 6 eine
Seitenansicht, mit teilweise abgebrochenen Teilen einer Kühleinheit für ein Wirbelbett
bzw. eine Kühleinheit als Wirbelbett.
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Fig. 1 zeigt ein Wirbelbett 1 als Glühstufe, die zum Fluidisieren
und gleichmäßigen Erhitzen von granulatförmigen Feststoffpartikelchen
bei
einer umgebungstenperatur von etwa 200° F (366°K) benatzt wire, wobei eine elektrische
Heizung oder eine Vollheizung, zum Beispiel ofenförmige Reizung verwendet wird.
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Dieses Wirbelbett ist mit einem, bei honer Temperatur arbeitenden
Filtersystem 2 versehen, welches verhindert, daß fein verteilte Partikelchen des
Bettes der Atmosphäre zugeführt werden.
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Das Wirbelbett 1 wird über ein Ventil 51 zu einer Kühlstufe 3, die
ein Wirbelbett ist, entleert, um den thermischen Kreislauf zu schließen. Das als
Kühlerdienende Wirbelbett 3 ist mit einem Filtersystem 4 versehen, welches unter
relativ hoher Temperatur arbeitet als auch verkindert, daß die feinen Feststoffteilchen
@es Wirbelbettes in unerwünschter Weise zur Atmosphä@@ abgezegen werden. Die als
Wirbelbett ausgebildete Kühlstufe wird über Ventil 52 entleert, um den Kühlkreislauf
abzuschließen.
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Ein einzeln an sich bekanntes Wirbelbett ist in Fig. 2 dargestellt
und besitzt einen Behälter 11, der durch Seitenwände 12 und ein haubenartiges Dach
13 begrenzt wird, wobei letzterer den Abzugsschacht odgl. 15 aufweist, um Abgase
zu entfernen.
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Ein Boden 17 des Behälters 11 besitzt eine als Zuführung dienendes
Rohr 19, über welches das zum Fluidisieren dienende Gas einer Kammer 22 des Bettes
zugeführt und dann über Durchlässe, Öffnungen odgl. 18 dem eigentlichen Bett zugeführt
wird.
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Von dort aus verteilt sich das Gas nach oben und an den Feststoffkörperchen
vorbei, die dem Ausglühen unterworfen werden,
se daß eine Art Hohlräune
oder "Bl@se@en" @@@ch@@@@t werden.
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Während des Betriebes wird den Teilchen @itze, zu@ @@eispiel durch
elektrische @eizag@re@ate 31, zum beispiel widerstanda@@@egate, zugeführt, die im
Form einer Wendel an einer isolierenden Wand 24 be2estigt sein können und St@a@lungshitze
der Wand 12 zufüren. Abweichend hiervon kann die @itze auch durch Ölfeuerung oder
Ölbrenner zugeführt werden. Die Öffnungen oder Durchlässe 18 sind so ausgebildet,
bzw. der Gasdruck ist so geregelt, daß die Feststoffpartikelchen gehindert sind,
das eigentliche Bett in der umgekehrten Richtung zu verlassen.
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Wird das Verfahren posten- bzw. partienweise ausgeführt, so werden
die Teilchen, die dem Ausglühen odgl. zu unterwerfen sind, über einen Einlaß 21
solange zugeführt, bis ein geeignetes Betriebsniveau 20 erreicht wird, und dann
wird das Einlaßventil 52 geschlossen. Die Zuführöff@ung 21 wird dann durch ein nicht
dargestelltes Ventil verschlossen und das zum Bildung des Fluid dienende Gas über
die Zufuhrleitung 19 der Kammer Zugeführt, die Heizung bzw. der Brenner eingeschaltet
und, nach Beendigung der Ausglühperiode, das Ventil 51 geöffnet und das behandelte
Erzeugnis/sse von den als eine A@t Glühofen dienender Bett entnonmen bzw. abgelassen.
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Während eines kontinuierlichen Verfahrens werden die behandelten Partikel
kontinuierlich dem Bett über Öffnung 21 zugeführt und das ausgeglühte odgl. Erzeugnis
kontinuierlich entweder über Entnahmeventil 51 entnommen, doer durch eine andere
Entnahmeöffnung
(nicht dargestellt), die in der Seitenwand 12
vorhanden sein kann.
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Das zum Betrieb des Wirbelbettes dienende, über den Abzug (Kamin)
15 entweichende Gas enthält auch Feststoffteilchen, die kleiner als die durchschnittlichen
Teilchen sind. Das abgezogene Gas (bei 15) wird nunmehr, wie im einzelnen aus Figuren
3,4,5 ersichtlich, dem unter hoher Temperatur arbeitenden Filtersystem zugeführt.
Es tritt nun in das Gehäuse 6 der Filtereinheit2, Fig. 2, ein. Es it vorteilhaft,
das Gehäuse in unterteilte Kammern 32, z.B. vier (oder mehr als zwei) aufzuteilen,
die auch zylindrisch bzw. länglich-sogmentförmig sein als auch Abstände aufweisen
können. Solche Kammern 32, vgl. Fig. 5, enthalten jeweils eine Mehrzahl von gasdurchlässigen
(permeablen) Rohren 35, die vorzugsweise aus gesintertem rostfreien Stahl, im Einzelfall
aus Bronze oder einem äquivalenten Material hergestellt sind.
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Diese Rohre sind am Boden geschlossen, am anderen oberen Ende offen.
Es ist vorteilhaft, die Rohre 35 am oberen Ende in eine Platte 37 zu montieren,
die als Abzugsplatte (Abzugselement) dient bzw. die Vielzahl dieser Öffnungen in
einer Baueinheit vorteilhaft zusammenfaßt.
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Im Betrieb fließt das abgezogene, Festpartikelchen enthaltende
Gas
über die Oberfläche der Röhrchen 35 hinweg, und hierbei werden die Festkörperchen
auf den Oberflächen der Röhrchen niedergeschlagen. Nun fließt das Gas weiter in
das Innere der Röhrchen. Nachem es dann das Röhrcheninnere verläßt, fließt das Gas
in die Sammelkammer 41 und von dort, nunmehr imagereinigten Zustand bzw. partikelfrei,
wird es über Öffnungen 46 und Ventile 47, die die Flüssigkeitsströnung überwachen,
abgezogen.
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Wenn die Menge der Festkörperchen, die an dem porösen Röhrchen 35
anhaften, eine vorbestimmte Dicke überschreiten, so erreicht der Druckabfall in
der Gasströmung, we]cle die Röhrchenwand durchsetzt, einen Arbeitswert, der
übermäßig hoch ist, und in unerwünschter Weise die Strömung zu drosseln beginnt.
Nun werden die Röhrchen 35 dadurch gereinigt, daß man erfindungsgemäß den die porösen
Röhrchen durchsetzenden Gasfluß umkehrt, und zwar in einem oder in meäreren Röhrchen.
Dies kann vorteilhaft dadurch erfolgen, daß man das Ventil 47 schließt, aber ein
Ventil 49 in einer Leitung 50 öffnet, welche mit einer reines Gas abgebenden Druckgasquelle
in Verbindung steht. Hierdurch wird das Gas gezwungen, über Ventile 49, Leitung
48, in die Kammer 41 hineinzufließen, aber auch, im Rückfluß, durch die porösen
Röhrchen 35, die in der Sammelkammer 41 eingebaut sind, so daß diese Röhrchen durch
den Rückfluß gereinigt werden.
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Die Teilchen, die durch den Rückfluß von der oberfläche der
porösen
Röhrchen 35angerüttelt bzw. zurückgetrieben werden, sind durch den Filtrationsdruck
geringfügig ag@lomeriert (zusammengebacken). @ie@@urch wird die wirksane partikelgröße
ver-@@ssert, Semit @e@ en die Teilchen durch den Rückfluß in das @e@ä@se 6 @@@@ck
@t@@@@en und von dort Tallen sie über die @@@@un 15, vgl. Fig. @, entge@en@esetst
@u@ Flu@ des Fluidisi@@en@en dases und weiker zurück in das Wirbelbett und werden
@@@ Glü@vo@gan@ nom Zu@e@ürt.
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Eine vorteil@aite eleindungsgemäße Ausgestaltung gemäß Figuren 3,4
und 5 ziegt ein Filtersystem für Einsatz bei hoher Temperatur in Form von vier Segmenten
bzw. Abteilen, wobei eines der Segmente 55 mit einem Bogen von 90° durch den Rückfluß
geeinigt wird, während die verbleidenden drei Segmente in dem Arbeitsfluß für das
übliche Filtern verbleiben. Nach einer vorbestimmten Arbeitsperiode wird der Rückfluß
auf ein neues Segment um- bzw. weitergeschaltet, während das gereinigte Segment
55 wieder als normaler Filter zugeschaltet wird und in Abzugrichtung arbeitet, so
daß der gesamte Filter nunmehr ein Segment für den Rückfluß und Reinigung und drei
Segmente für den Abzug und das Filtern aufweist. Sinngemäß wird der Rückfluß nacheinander
jedem Segment auferlegt, so daß das ganze Filtersystem kontinuierlich filtern kann,
ohne daß ein Stillstand eintritt oder Teile ausgewechselt brauchen. Im einzelnen
kann so gearbeitet werden, daß die Arbeitsperiode eins bis zehn Kinuten beträgt,
je nach der Höhe der Konzentration und der Filtercharakteristika der migerissenen
Feststoffkörperchen.
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Diese stufenweise Um- bzw. Weiterschaltung und die zugehörigen Verweilzeiten
in anderen Segmenten können insbesondere durch Verwendung eines synchron arbeitenden
Nockenschalters erreicht werden, der mindestens ein Solenoidventil steuert.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das wirbelbett arbeiten,
ohne daß die mitgerissenem Feststoffpartikelchen aus dem Arbeitskreislauf überhaupt
nach außen abgegeben zu werden brauchen, unu es wird sonit eine Vergiftung der Atmosphäre
vermieden. Ferner ist es möglich, das abgezogene Gas den Gesamtsystem der Wirbelbettanlage
zurückzufhren, indem Rezirkulation zur Sammelkammer 22 unterhalb des Wirbelbettes
erfolgt, wenn dies im Einzelfall vorteilhaft ist, wobei neben umweltfreundlichem
Betrieb auci an Energie eingespart wird.
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Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 6 zeigt eine Kühlstufe
als Wirbelbett mit einer Kammer 30, welche durch eine Wand 32 und einem domförmigen
Deckel 33 gebildet ist, mit einem Abzugsrohr 35, das zum Abziehen des Abgases dient.
Der Boden der Kammer 11 hat eine Zuführleitung 39, um das zum Fluidisieren verwendete
Gas der Sammelkammer 34 zuzuführen und wird dann über Öffnungen odgl. 38 dem Wirbelbett
zugeführt. Von hier verteilt sich das Gas nach oben und fließt an den Feststoffpartikelchen
vorbei, die gekühlt werden, wobei kleine Leorräume oder Blasen 36 gebildet werden,
Während des Betriebes wird Hitze von den ;Jirbelbettpartikelchen entzogen, indem
das kühlmedium durch Zirkulation
in Ka@@ern od@@. @@ @ek@@@k wird.
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Es ist selbstverständlich, daß die Offnungen 38 so dimensioniert sind
bzw. der Gasdruck so @eregelt wird, daß die Feststoffpartikel des Wirbelbettes es
nicht in umgekehrter Richtung verlassen können.
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Wird portions- bzw. schichtweise gekühlt, so werden die zu glühenden
odgl. Teilchen über eine Zuführöffnung 31 zugeführt, bis ein geeigneter Betriebspegel
erreicht wird; während dieses Arbeitsschrittes ist das Abzugsventil 52 geschlossen.
Danach wird die Zufürleitung 31 durch ein Ventil geschlossen und man beginnt, das
zum Fluidisieren dienende Gas über Zufürleitung 39 als auch das zu kühlende Hedium
zuzuleiten. Nachdem die Kühlperiode beendet ist, wird das Entleerungsventil 52 geöffnet
und das Erzeugnis aus dem Kühler abgelassen.
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Bei einer kontinuierlichen Prozess werden die Feststoffkörperchen
kontinuierlich zugegeben und entweder durch das Entleerungsventil 52 oder durch
eine andere Abzugsstelle odgl. abgezogen, die in der seitenwand 32 angeordnet sein
kann.
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Das zum Cluidisieren dienende Gas, welches die Kühlstufe bzw.
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als Kühlaggregat arbeitende Wirbelbett über Öffnung 35 verläßt, enthält
wiederum einige mitgezogene Feststoffartikelchen, besenders solche, deren Durchmesser
kleiner als der durchschnittliche Durchmesser der Partikel ist. Dieses abgezogene
Gas wird
dann dem Filtersystem, welches bei Ü0li0-r emperatur arbeitet,
zugeführt, wie im einzelnen in Figuren 3 und 5 dargestellt war. Die Arbeitsweise
ist gleich demjenigen System, welches in Verbindung mit dem Wirbelbett beschrieben
wurde, welches zum Glühen odgl. der Partikelchen verwendet wurde.
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Im einzelnen kann, wenn auch nicht zeichnerisch dargestellt, das Wirbelbett,
das zum Glühen verwendet und die kühlstufe bzw.
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das Wirbelbett, das als Kühler verwendet wurde, mit innen angeordneten
Leitblechen odgl. versehen sein, so daß ein Kreis oder wendelförmiger bzw. gerichteter
Verlauf des Abzugsgases bewirkt wird, so daß die Verweilzeit des letzteren verringert
wird bzw. dieser Arbeitsschritt durch eine vorteilhafte Verteilungskurve darstellbar
ist, d.h. daß das Zeit- Temperaturverhältnis in allen Bereichen und Zeit abschnitten
für das Brzeugnis sehr gleichmäßig wird.
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L e e r s e i t e