DE2824480A1

DE2824480A1 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von pulvern in einem wirbelbett

Info

Publication number: DE2824480A1
Application number: DE19782824480
Authority: DE
Inventors: Benjamin Franklin Etheredge; Frederick Anton Zenz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-06
Filing date: 1978-06-03
Publication date: 1978-12-14
Also published as: BE887983Q; JPS5416776A; GB1586741A; US4172667A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Mischen von Partikelfeststoffen und insbesondere auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Umsetzen einer inhomogenen Mischung aus festen UO₂ Pulvern in eine homogene Mischung.

Das Mischen von Partikelfeststoffen wurde in der Vergangenheit in vielfältiger Weise durchgeführt. Es wurden mechanische Mischer verschiedener Arten benutzt, wie Trommelmischer (tumble mixers), Bandmischer (ribbon blenders) und Mischer hoher Scherung (shear mixers). Spritzbettmischer (spouting bed blenders) und Wirbelschichtmischer wurden auch angewendet. In der Technik wurden UO₂ Pulver hauptsächlich mit mechanischen Mischern vom Trommeltyp gemischt, wie sie im US-Patent 3 825 23o beschrieben sind. Diese Mischer konnten häufig nicht Mischchargen erzeugen, die den UO₂ Pulverhomogenität-Spezifikationen entsprechen. Es wird angenommen, daß dieses auf ruhenden oder Totzonen in dem Mischer und auf Abtrennungsproblemen während des Ablassens beruht.

Ferner ist ein zumindest dreißigminütiger Mischzyklus mit dieser Mischerart erforderlich. Die Länge und Art des mechanischen Mischvorgangs führen zu einem Sermahlen bzw. Verkleinern

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der Pulver in kleinere Partikelgrößen, was im Zusammenhang mit späteren Verarbeitungsschritten einen großen Nachteil bedeutet, wenn das Pulver zu UO₂ Pillen bzw. Pellets gepreßt wird. Die körperliche Anordnung des mechanischen Trommelmischers begrenzt auch die Lade- und Entladeströmungsgeschwindigkeiten. Zusätzlich zu diesen Mischproblemen beinhalten große mechanische Trommelmischer eine physikalische bzw. körperliche Sicherheitsgefahr infolge der großen sich drehenden Mischkammer, die in der Praxis allgemein einen Durchmesser von etwa 1,8 m (6 feet) hat.

Von den zwei zur Zeit benutzten Haupttypen von Mischern, bei denen ein Mischgas angewendet wird, sind Ausguß- bzw. Spritzbettmischer, wobei ein solcher in dem US-Patent 2 786 28o aufgezeigt ist, nicht zum Mischen von UC^ Pulvern geeignet, und zwar wegen der heftigen Wirkung von Gasstrahlen, die die Oberseite des betts durchdringen und herausspritzen, wobei durch Mitreißen von Pulver mit dem Wirbelgas ein übermäßiger Verlust an UO₂ Pulver begründet wird.

Der andere Haupttyp von bekannten Mischern sind die Blasenbett-Wirbelbett-Mischer, die eine einfache planare Reihe von entweder nach oben oder nach unten gerichteten Wirbelmündungen haben. Auch diese Mischer sind ungeeignet, um die Produkt-Homogenitätsspezifikationen zu erfüllen. Dies trifft wegen stagnierender oder Totzonen zu, die am Boden des Wirbelbetts bzw. der Wirbelschicht zwischen den Gasmündungen vorliegen. Eine Erörterung von mit dem Auslegen bekannter Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer dieser Art verbundenen. Betrachtungen, einschließlich einer Betrachtung von Partikeleigenschaften, der Partxkelgroßenverteilung, der Behälterabmessung, der oberflächlichen Gasgeschwindigkeit (superficial gas velocity) und der Zirkulationsmuster, findet sich in ¹Fluidization and Particle Fluid Systems¹ von Frederick A.· Zenz und Donald F. Othmer, Reinhold Chemical Engineering Series, Reinhold Publishing Corporation, New York, 196o. Betrachtungen für mögliche Gitterauslegungen können aus 'Fluidization¹ von J.F. Davidson und D. Harrison, Academic Press, London, 1971, entnommen werden.

In den Figuren 1 und 2 sind die Betriebsweisen bekannter Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer mit nach unten und nach oben ge-

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richteten Wirbelmündungen dargestellt. Beide Mischer aus den Figuren 1 und 2 haben eine flache bzw. ebene oder leicht geneigte Bodenwandung 1 mit einem an der Basis der Seitenwandung 3 angeordneten Abfluß 2. Im Fall von Figur 1 ist eine planare Reihe von nach unten gerichteten Wirbelgasmündungen 4 vorgesehen, während im Fall von Figur 2 eine planare Reihe von aufwärts gerichteten Wirbelgasmündungen 5 vorhanden ist. In beiden Fällen sorgen die Mündungen für ein Zuführen von Wirbelgas mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um Wirbelgasblasen durch den in dem Mischer enthaltenen Partikelstoff in einer in der Technik bekannten Weise aufsteigen zu lassen. Durch die Pfeile 6 sind Kreislaufmuster dargestellt, die in den Partikeln der Schicht bzw. des Betts durch diese aufsteigenden Blasen erzeugt werden. Das mit in diesen Figuren dargestellten bekannten Blasenbett-Wirbelschicht-Mischern verbundene Problem besteht darin, daß an der Bodenwandung 1 zwischen den Mündungen 4 in Figur 1 und zwischen den Mündungen 5 in Figur 2 schattierte Ruhe- oder Totzonen 7 erzeugt werden. Diese Totzonen machen es für bekannte Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer schwierig, Produkt-Homogenitätsspezifikationen für das Mischen von UO₀ Pulver zu erfüllen und die Mischungsschicht nach dem Beenden des Mischvorgangs vollständig abzulassen.

Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Aufnehmen der zu mischenden inhomogenen Pulver, vorzugsweise UO^ Pulver, geschaffen. Diese Vorrichtung bzw. dieser Mischer besitzt einen vertikal ausgerichteten, plattenförmigen, kerntechnisch sicheren Mischbehälter, an dessen Boden ein Wirbelgitter (fluidizing grid) angeordnet ist. Dieses erfindungsgemäße Wirbelgitter weist eine lineare Reihe von allgemein nach unten gerichteten pyramidenförmigen Trichtern auf, deren Wandungen jeweils zu einer kegelförmigen öffnung konvergieren. Eine Mehrzahl von Gasmündungen ist vorgesehen, um einen Wirbelgasstrom nach unten zum Boden eines jeden Trichters zu leiten. Jeder der Mündungen wird Wirbelgas mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die ausreicht, um Wirbelgasblasen durch die Pulvermischung aufsteigen und Von den Pulvern austreten zu lassen, bis eine homogene Pulvermischung erzielt ist. Die Kombination der linearen Trichterreihe und der nach unten gerichteten Gasmündungen führt zu einer

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Eliminierung der Totzonen, die bei bekannten Arten von Blasenbett-Wirbelschicht-Mischern angetroffen werden. Mit den erfindungsgemäßen Mischern wird in einer etwa fünfminütigen Mischzeit eine nahezu einwandfreie bzw. perfekte Produkthomogenität erzielt. Das während des Mischens auftretende Zermahlen bzw. Verkleinern der Pulverbestandteile in kleinere Partikelgrößen wird verringert, und auch die Menge des in dem Wirbelgas mitgerissenen Pulvers wird reduziert. Da das Bett bzw. die Schicht des erfindungsgemäßen Mischers statisch ist, werden die mit anderen Mischern, wie mit dem großen mechanischen Drehmischer vom Trommeltyp, verbundenen Gefahren eliminiert.

Der Mischer enthält ferner eine Mehrzahl von Ventilen, wobei jeweils ein solches Ventil an der Öffnung eines jeden Trichters angeordnet ist. Diese Ventile dienen als Auslässe für den Mischbehälter, wobei ein Auslassen erfolgt, nachdem eine homogene Mischung von Pulvern erzielt ist. Nach Beendigung des Mischvorgangs wird das gemischte Pulver schnell und wirkungsvoll abgelassen, und zwar durch Reduzieren der Wirbelgasgeschwindigkeit auf einen Wert, der gerade ausreicht, um ein Aufwirbeln des Pulvers aufrechtzuerhalten, und der aber unzureichend ist, um Blasen durch das Pulver aufsteigen zu lassen. Die Ventile werden geöffnet, um das Bett bzw. die Wirbelschicht des Mischers aus den Trichtern in Transportbehälter zu entleeren,die unter dem Mischbehälter angeordnet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in einem schematischen Vertikalschnitt einen bekannten Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer mit nach unten gerichteten Wirbelgasmündungen,
Figur 2 - in einem schematischen Vertikalschnitt einen bekannten Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer mit nach oben gerichteten Wirbelgasmündungen,

Figur 3 - in einem schematischen Vertikalschnitt einen Blasenbett-Wirbelschicht -Mischer nach der vorliegenden Erfindung, Figur 4 - in einer schematischen Darstellung ein Wirbelgas-Steuerungssystem, das das Wirbelgas regelt, welches zu den Mündungen des erfindungsgemäßen Mischers geleitet wird,

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Figur 5 - in einer perspektivischen Darstellung einen erfindungsgemäß aufgebauten Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer,

Figur 6 - in einer Seitenansicht einen Vertikalschnitt durch einen der Trichter sowie durch eine der nach unten weisenden Gasmündungen gemäß einem Wirbelgitter der vorliegenden Erfindung und

Figur 7 - in einer Vorderansicht ein erfindungsgemäß aufgebautes Wirbelgitter (fluidization grid).

Figur 3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Blasenbett-Wirbelbett-Mischer, (bubbling-bed fluidized bed blender), bei dem durch Anwenden des Verfahrens-und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Totzonen ausgeschaltet sind. Die Vorrichtung enthält ein Wirbelgitter (fluidizing grid) 9 mit einer linearen Reihe von allgemein nach unten gerichteten pyramidenförmigen Trichtern 1o, die jeweils Wandungen haben, welche in eine konisch geformte verschließbare Öffnung konvergieren. Eine Vielzahl von Gasmündungen 11 ist am Ende von Blasleitungen 31 vorgesehen, die jeweils den Wirbelgasstrom zum Boden des angrenzenden, unter der Mündung angeordneten Trichters nach unten leiten. Wirbelgas, das normalerweise trockener Stickstoff oder trockene Luft bei Umgebungstemperatur ist, wird durch die Mündungen mit einer Geschwindigkeit geleitet, die ausreicht, um Blasen des Wirbelgases durch.die Pulverschicht aufsteigen und aus deren Oberseite austreten zu lassen, bis eine homogene Mischung der Pulver erreicht ist. Die Trichter 1o sind so geformt, daß sie allgemein dem Umriß der Totzonen entsprechen, die bei bekannten Blasenbett-Mischern angetroffen werden, wie es oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde, so daß Totzonen im wesentlichen ausgeschaltet werden. Es ist eine Vielzahl von Ventilen 12 vorgesehen, wobei jeweils ein solches Ventil an der öffnung eines jeden Trichters angeordnet ist, so daß die Partikel in jedem Trichter wirksam abgelassen werden können und am Ende des Mischvorgangs kein Chargenteil in dem Mischer verbleibt.

Bei dieser Mischerart erfolgt das Mischen der Partikel, wenn sich von den aus den Mündungen 11 austretenden Gasströmen 31 Gasblasen bilden, die in weitschweifigen Zickzackbewegun-

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gen zur Oberfläche der Partikelschicht aufsteigen. Nach Ausbilden einer Blase fließen angrenzende Pulverpartikel um den oberen Teil der Blase und zu ihrem unteren Teil/ wenn sich die Blase nach oben bewegt. Direkt über den Blasen liegende Partikel werden nach oben gedrückt, während andere beiseite gestoßen werden; einige der letztgenannten Partikel fließen in den unteren Teil der Blase nach unten, um deren Bewegungspfad aufzufüllen. Somit führt eine aufsteigende Blase zu einem Zerstreuen bzw. Verteilen von Partikeln radial in allen Richtungen. Wenn eine gegebene Blase aufsteigt, sind den darunter befindlichen Hohlraum auffüllende Partikel etwas dichter gepackt als Partikel unmittelbar außerhalb des Blasenpfades. Die in diesem Bereich aufsteigende nächste Blase folgt einem Pfad durch die weniger dicht gepackten Partikel an der Seite des ersten Blasenpfades. Somit neigt jede nachfolgende Blase zu einem Aufsteigen an einer abweichenden Stelle in der Schicht, wodurch verschiedene Partikelbereiche mit den zuvor gemischten anderen Partikelbereichen gemischt werden. Wenn mehr und mehr Blasen durch die Wirbelschicht aufsteigen, verbinden sich kleine angrenzende Blasen zu größeren Blasen. Dieser Vorgang begründet zusammen mit den zu Niederdruckbereichen strömenden Blasen eine weitschweifige Zickzack-Blasenbewegung, wordurch sich horizontal wie auch vertikal fortpflanzende Mischströme gebildet werden.

Normalerweise ist der Behälter 8 nur etwa bis zu seiner halben Höhe gefüllt, so daß die untere Hälfte des Behälters als eine Mischkammer und die obere Hälfte des Behälters als ein Gasraum dienen. Blasen brechen durch die Oberseite der Partikelschicht, wobei an der Oberseite der Mischkammer gewisses UO₂ Pulver über den Gasraum zerstreut wird. Das komprimierte Gas entweicht dem Partikelbett verpuffungsartig statt in einem kontinuierlichen Strom. Dieses intermittierende Verpuffen bzw. stößweise Austreten von Gas ermöglicht es, daß ein bestimmter Teil der Partikel, die in dem Gasstrom mitgerissen würden, in das Partikelbett zurückfallen können und nicht mitgerissen sowie mit dem Wirbelgas herausbewegt werden. Bei dem hier beschriebenen Blasenbett-Wirbelschicht-Mischer ergibt sich trotz der zuvor erwähnten kreisenden Mischströme tatsächlich keine Massenbewegung des Partikelbetts, wie sie in einem Spritzbett- Wirbelschicht-Mischer (spouting-bed fluidized bed blender) auftritt.

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Mit der vorliegenden Erfindung kann eine nahezu perfekte Homogenität des UO2 Pulvers mit einer aufwärtigen oberflächlichen Gasgeschwindigkeit von Stickstoff von/etwa 38,1 bis etwa 45,7 cm pro Sekunde (etwa 1/25 feet bis etwa 1,5 feet pro Sekunde) mit einer Mischzeit von etwa 5,5 Minuten erzielt werden. Die oberflächliche Gasgeschwindigkeit ist eine berechnete Gasgeschwindigkeit, die dadurch bestimmt wird, daß der Gasstrom durch die Querschnittsfläche geteilt wird, und zwar unter Vernachlässigung der üuerschnittsverminderung in der Mischkammer infoige des Vorhandenseins der UO₂ Pulver.

Ein typischer Mischvorgang besteht darin, daß während einer halben Minute ein Mischen bei einer oberflächlichen Gasgeschwindigkeit von 45,7 cm pro Sekunde (1,5 feet pro Sekunde) durchgeführt wird, wonach eine fünfminütige Mischperiode mit einer oberflächlichen Gasgeschwindigkeit von 38,1 cm pro Sekunde (1,25 feet pro Sekunde) folgt. Nachdem eine homogene Mischung von UO „ Pulvern erreicht ist, wird die Wirbelgasgeschwindigkext auf einen Wert reduziert, der der einleitenden Geschwindigkeit (incipient velocity) entspricht oder gerade darüber liegt. Die einleitende Geschwindigkeit ist die oberflächliche Geschwindigkeit des Fluids, bei der beim Hindurchleiten durch die Zwischenräume ein dem Gewicht der Pulverschicht entsprechender Reibungswiderstand angetroffen wird, wobei jedoch die Geschwindigkeit unzureichend ist, um Blasen zum Aufsteigen durch das Pulver zu veranlassen. Ventile 12, die an der Unterseite eines jeden Trichters angeordnet sind,werden geöffnet, um ein schnelles und wirksames Ablassen der Wirbelschicht in unter den Trichtern befindliche Transportbehälter durchzuführen.

Die Geschwindigkeit des Gases für jeden der drei vorstehenden Verfahrensschritte wird durch ein Netzwerk von Kugelventilen sowie Druckregulierungsventilen und durch einen Reihenfolge-Zeitgeber gesteuert, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Nach dem Einleiten des Vorgangs sendet der Reihenfolge-Zeitgeber (Steuerglied) 77 ein Signal zu dem normalerweise geschlossenen Kugelventil 69, wodurch dieses zum öffnen veranlaßt wird, damit Wirbelgas von einer Wirbelgasquelle 80 in eine Wirbelgas-Zufuhrleitung 79 und zu der Hauptverteilungsleitung 3o mit einer oberflächlichen Wirbelgasgeschwindigkeit von etwa 45,7 cm pro Sekunde (1,5 feet

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pro Sekunde) strömen kann. Das Ventil 69 erhält dieses Signal während etwa 3o Sekunden. Ein druckvermindernder Regler 72 regelt die oberflächliche Wirbelgasgeschwindigkeit des Wirbelgases auf 45,7 cm/Sekunde (1,5 feet/Sekunde). Die Wirbelgas-Strömungsgeschwindigkeit wird durch ein Rotometer 75 überwacht, und ein Sicherheitsventil 78 wird benutzt, um an der Wirbelgas-Zufuhrleitung 79 übermäßigen Gasdruck abzuzapfen bzw. abzubauen, während ein Ventil 76 als ein Hauptdruckregler dient. Nach der zweiunddreißigsten Periode schließt der Zeitgeber 77 das Ventil 69 und sendet er ein Signal zu dem normalerweise geschlossenen Kugelventil 7o, um dieses zu öffnen, damit zu der Hauptverteilungsleitung 3o Wirbelgas mit einer oberflächlichen Wirbelgeschwindigkeit von etwa 38,1 cm/Sekunde (1,25 feet/Sekunde) während etwa fünf Minuten gelangen kann. Ein druckvermindernder Regler 73 regelt die oberflächliche Wirbelgeschwindigkeit des Wirbelgases auf 38,1 cm/Sekunde (1,25 feet/Sekunde) . Nach ungefähr fünf Minuten schließt der Zeitgeber 77 das Ventil 7o und öffnet er das Ventil 71, damit Wirbelgas mit einer Geschwindigkeit zuströmen kann, die ausreicht, um eine einleitende bzw. anfängliche Aufwirbelung zu begründen, wie es durch einen druckvermindernden Regler 74 gesteuert wird (das heißt, die Geschwindigkeit liegt in dem Bereich von etwa 6,1 bis 9,15 cm/Sekunde bzw. o,2 bis o,3 feet/Sekunde). Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Mischer entladen und das System durch manuelles Drücken des Ausschalters am Zeitgeber 77 ausgeschaltet sind. Um eine gleichförmige Verteilung des Wirbelgases auf alle Mündungen bzw. Öffnungen 11 aufrechtzuerhalten, ist in jeder von der Verteilerleitung 3o zu einer ¹T¹ Verbindung 62 mit dem Blasrohr 31 führenden Leitung 8o" eine Drosselstelle 68 eingebaut. Reinigungskappen 67 verschließen jede Blasleitung 31.

Aus Figur 5 ergibt sich eine detaillierte Ausführungsform eines Blasenbett-Wirbelschicht-Mischers nach der vorliegenden Erfindung. Der Mischer besteht aus einem vertikal ausgerichteten, rechteckplattenförmigen, nukleartechnisch sicheren Mischbehälter 21 mit einem Wirbelgitter 22 an der Unterseite des Behälters 21. Das Wirbelgitter 22 besteht aus einer linearen Reihe von allgemein nach unten gerichteten, pyramidenförmigen Trichtern 23, die jeweils Wandungen 24 haben, welche sich zu einer kegelförmigen öff-

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nung (Spitze) 25 verjüngen. Es ist eine Vielzahl von Gasmündungen 28 vorgesehen, um einen Wirbelgasstrom nach unten zur Unterseite eines jeden Trichters 23 zu leiten. Eine Wirbelgasquelle bei 29 ist über eine gemeinsame Verteilerleitung 3o und eine Vielzahl von Blasleitungen 31 mit jeder der Mündungen 28 verbunden, wobei die Blasleitungen das Wirbelgas mit einer Geschwindigkeit zuführen, die ausreicht, um ein Aufsteigen von Blasen 34 durch eine Mischung von Pulvern 35, vorzugsweise eine Mischung von UO₂ Pulvern, in dem Behälter 21 zu begründen. Der Behälter 21 des Wirbelschicht- bzw. Wirbelbettmischers wird durch einen Einlaß 36 gefüllt, dem ein allgemein bei 37 dargestelltes Ventil, wie ein Drosselklappenventil, zugeordnet ist, um ein Austreten von Pulvern während des Mischvorgangs zu vermeiden. Das Ventil 37 ist nicht detailliert dargestellt, da es keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bildet und da irgendeine geeignete Ventilart angewendet werden kann. Der Behälter 21 hat eine Höhe, die etwa dem Zweifachen derjenigen der UO₂ Pulver entspricht, welche normalerweise darin behandelt werden, so daß der Behälter anfänglich bis etwa auf die halbe Höhe mit inhomogenen oder ungemischten Pulvern gefüllt wird. Somit dient die untere Hälfte 38 des Behälters 21 als eine Behältermischkammer, während die obere Hälfte 39 als ein Gasraum dient, wo sich in dem Wirbelgas mitgerissene UO₂ Pulver von dem Gas trennen, um auf das Bett bzw. die Wirbelschicht in der unteren Hälfte 38 zu fallen.

Der Wirbelbett- bzw. Wirbelschichtmischer nach der vorliegenden Erfindung enthält ein Abgassystem, das einen an der Oberseite des Behälters 21 angeordneten Wirbelgasauslaß 41, einen Zyklon-Abscheider 42 zum Aufnehmen des Wirbelgases von dem Wirbelgasauslaß und einen hochwirksamen bzw. Hochleistungsfilter 43 aufweist, welcher das Wirbelgas von dem Zyklon-Abscheider 42 empfängt. Das von dem Hochleistungsfilter 43 abgelassene Gas wird schließlich zu dem Fabrikabgassystem geleitet. Aus dem Zyklon-Abscheider 42 abgeschiedene Feststoffe fallen durch eine Leitung 45 in einen unter dem Zyklon-Abscheider 42 angeordneten Behälter 46. Das Abgassystem bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung und ist in der Zeichnung nur allgemein dargestellt. Es kann irgendein geeignetes Abgassystem angewendet werden.

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Der Wirbelschichtmischer enthält ferner eine Mehrzahl von Ventilen 5o, von denen jeweils eines an der Öffnung 25 eines jeden Trichters 23 angeordnet ist. Die Ventile 5o dienen als Auslässe oder Abflüsse für gemischte Pulver. Nachdem eine homogene Pulvermischung erzielt worden ist, wird der Strom des Wirbelgases auf eine Geschwindigkeit entsprechend oder gerade oberhalb der einleitenden Geschwindigkeit (incipient rate) reduziert. Diese Geschwindigkeit ist gerade ausreichend, um eine Aufwirbelung der UO₂ Pulver aufrechtzuerhalten, wobei die Geschwindigkeit jedoch unzureichend ist, um Blasen durch die Pulver aufsteigen zu lassen. Die Ventile werden geöffnet, so daß die Wirbelschichtinhalte schnell in eine Mehrzahl von Behältern abfließen können, von denen einer bei 51 dargestellt ist und die direkt unter den Trichtern 23 angeordnet sind.

In den Figuren 6 und 7, bei denen die zu mischenden Pulver UO₂ sind, sind weitere Einzelheiten des Wirbelgitters der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Trichter 23 sind bei 56 zu einer linearen Reihe 55 verschweißt, und die Reihe 55 selbst ist bei 58 mit einem Übergangsstück 57 verschweißt. Dieses hat einen L-förmigen Querschnitt und bildet eine zentrale Öffnung, die grössenmäßig den Oberseiten der Reihe bzw. des Feldes von Trichtern 23 entspricht. Das Übergangsstück 57 umgibt somit das Feld bzw. die Reihe von Trichtern an deren Oberseiten und ist hiermit bei 58 verschweißt. Das Übergangsstück 57 ist mit der Unterseite des Mischbehälters 21 verschraubt, wobei dazwischen ein geeignetes Abdichtungsmaterial 59 angeordnet ist. Um einen kerntechnisch sicheren Behälter zum Mischen von UO₂ Pulver sicherzustellen, das mit dem U-235 Isotop in Mengen von etwa o,7 bis zu 4,ο Gewichtsprozent angereichert ist, hat der Behälter 21 eine maximale Breite W von etwa 127 mm (5 Zoll), und die Trichter sind in einer einzigen linearen Reihe angeordnet. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die zentrale Öffnung des Übergangsstücks 57 auch eine Breite von etwa 127 mm (5 Zoll), und die Oberseite eines jeden pyramidenförmigen Trichters 23 hat einen quadratischen Querschnitt 6o mit einer Kantenlänge von etwa 127 mm (5 Zoll). Jeder Trichter 23 verjüngt sich dann von dem quadratischen Querschnitt bei 6o auf einen runden Querschnitt 61 mit einem Durchmesser von 38,1 mm (1,5

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Zoll) an der Unterseite des Trichters. Bei einer bestimmten Ausführungsform beträgt die Höhe H der Trichter 23 etwa 166 mm (6,531 Zoll), und die Wandungen 24 der Trichter 23 bilden einen Winkel oi von 75° in bezug auf die Horizontale.

Die Mündungen 28 sind am Ende von abgewinkelten Blasrohren 31 angeordnet, die einen Gasstrahl von jeder der Mündungen 28 nach unten in die Öffnung 25 des entsprechenden Trichters 23 leiten. Die Blasrohre 31 sind an dem Übergangsstück 57 und der Verteilerleitung 3o angeschraubt, so daß verschiedene Blasrohre mit unterschiedlichen Mündungsgroßen eingesetzt werden können, wenn dieses erwünscht ist. Wie es in der detaillierten Darstellung aus Figur 6 gezeigt ist, kann für jedes der Blasrohre 31 ein T-förmiges Verbindungsstück 62 vorgesehen werden, um für eine Verbindung mit der Verteilerleitung zu sorgen und ein Einsetzen bzw. Ersetzen von Blasrohren mit unterschiedlicher Mündungsgröße sowie nach unten gerichteter Länge zu erleichtern, wenn dieses erwünscht ist. Ein Schenkel des ¹T¹ Verbindungsstücks 62 ist mit einer abnehmbaren Kappe 67 ausgerüstet, um das Blasrohr 31 im Falle eines Verstopfens reinigen zu können. Die Größe der Mündung 28 liegt normalerweise in einem Bereich eines Durchmessers von 7,93 - 9,53 mm (5/16 bis 3/8 Zoll). Dies ist ausreichend, wenn trockener Stickstoff bei Umgebungstemperatur und einem überdruck von o,21 -

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o,28 kp/cm (3-4 psi) als ein Wirbelgas benutzt wird, um Blasen mit einem Durchmesser von ungefähr 63,5 mm (2,5 Zoll) in der Pulverschicht zu bilden, wenn der Behälter 21 eine 1219 mm (48 Zoll) hohe UO₂ Pulversäule enthält.

Die Ventile 5o sind an der Unterseite der Trichter 23 bei 64 angeschweißt. Die Ventile 5o können von irgendeiner Art sein und eine gerade Durchgangsbohrung 61 haben, die während des Ablaßvorgangs die Möglichkeit einer Pulverabtrennung oder eines Verstopfens eliminiert. Bei einer bestimmten Ausführungsform hat die Kugel 65 einen vollen Halsdurchmesser von 38,1 mm (1,5 Zoll), und die Ventile sind an die mit einem Durchmesser von 38,1 mm (1,5 Zoll) ausgebildete öffnung am Boden der Trichter 23 angeschweißt. Jedes Ventil hat einen Schaft 63, der mit einem Betätigungshebel 66 verbunden ist, welcher ein individuelles öffnen der Ventile ermöglicht, um Abschnitte des Wirbelschichtmischers in unter jedem Ventil angeordnete Behälter 51 zu entleeren.

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Der erfindungsgemäße Mischer eignet sich zum Mischen von Pulvern mit einer momentanen Strömungsfunktion von größer als etwa 4,o (das heißt 4_fo bis ©° ), gemessen mit einem Strömungsfaktor-Prüfgerät vom Jenike-Typ. Die hier benutzte momentane Strömungsfunktion ist die Relation zwischen der unbehinderten Fließ- bzw. Nachgiebigkeitsfestigkeit (unconfined yield strength) und dem Konsolidierungsdruck (consolidating pressure) für die zu mischenden Pulverpartikel. Die momentane Strömungsfunktion und das Strömungsfaktor-Prüfgerät sind im Heft Nr. 123, Utah Engineering Experimental Station, Storage and Flow of Solids von Andrew W. Jenike näher beschrieben.

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Claims

Dr. rer. nat. Horst Schüler , , Λ Λ 600° Frankfort/Main ι, ι.Juni 1978 PATENTANWALT 282 A A 80 Koiserstraße 4! Scha./he. Telefon (0611) 235555 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt-M. Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M. 4652-24-NF-4228 Ansprüche

1. Wirbelschichtmischer zum Mischen eines Pulvergemisches, gekennzeichnet durch einen vertikal ausgerichteten, plattenförmigen Mischbehälter (8, 21), durch ein am Boden des Behälters (8, 21) angeordnetes Wirbelgitter (22) , welches eine lineare Reihe (55) von pyramidenförmigen Trichtern (1o, 23), die sich zu einer kegelförmigen nach unten weisenden Öffnung (25) verjüngen, und eine Vielzahl von Gasmündungen (11, 28) aufweist, die jeweils entsprechend angeordnet sind, um einen Wirbelgasstrom nach unten zur öffnung (25) eines entsprechenden Trichters (1o, 2 3) zu leiten, und durch mit den Mündungen (25) verbundene Mittel (28, 29, 3o, 31) zum Zuführen eines Wirbelgases mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um Wirbelgasblasen durch die Pulvermischung aufsteigen und von der Oberseite der Pulver austreten zu lassen, damit eine homogene Mischung der Pulver gebildet wird.

2. Wirbelschichtmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Mündungen (25) verbundenen Mittel (28, 29, 3o, 31) eine mit einer Wirbelgasquelle (29) verbindbare Verteilerleitung (3o) und eine Mehrzahl von hiermit verbundenen Blasrohren (31) enthält, an deren Enden die Mündungen (28) angeordnet sind.

3. Wirbelschichtmischer nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch ein an dem Behälter (8, 21) angebrachtes Übergangsstück (57) mit einer rechtwinkligen öffnung, die die lineare Reihe (55) der Trichter (1o, 23) an deren Oberseite umgibt, wobei die Blasrohre (31) sich durch das Übergangsstück (57) erstrecken sowie hieran angebracht sind und wobei die Blasrohre (31) abge-

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winkelt sind, so daß die an ihren Enden befindlichen Mündungen (28) zu den Öffnungen (25) der Trichter (1ο, 23) nach unten weisen.

4. Wirbelschichtmischer nach den Ansprüchen 1-3, ferner gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Ventilen (12, 5o) zum Ablassen von gemischten Pulvern aus dem Mischbehälter (8, 21), wobei jedes der Ventile (12, 5o) an der öffnung (25) eines entsprechenden Trichters (1o, 23) angeordnet ist, und durch Mittel (71, 77) zum Reduzieren der Gasgeschwindigkeit auf einen Wert, der gerade ausreicht, um eine Aufwirbelung (fluidization) der Pulver aufrechtzuerhalten, und der aber unzureichend ist, um Blasen durch die UO₂ Pulver aufsteigen zu lassen, wobei diese Reduzierung erfolgt, bevor die UO₂ Pulver durch die Ventile (12, 5o) abgelassen werden.

5. Wirbelschichtmischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (12, 5o) Kugelventile mit einer geraden Durchgangsbohrung (61) sind.

- Wirbelschichtmischer nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischbehälter (8, 21) eine Höhe hat, die etwa der doppelten Höhe der normalerweise hierin behandelten U0„ Pulver entspricht, und daß die untere Hälfte (38) des Behälters (8, 21) als eine Mischkammer sowie die obere Hälfe (39) des Behälters (8, 21) als ein Gasraum dienen, wo in dem Wirbelgas mitgerissene UO₂ Pulver sich absetzen können.

7. Wirbelschichtmischer nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (28, 29, 3o, 31) zum Zuführen'von Wirbelgas trockenen Stickstoff bei Umgebungstemperatur empfangen können.

8. Wirbelschichtmischer nach den Ansprüchen 1-7, ferner gekennzeichnet durch Mittel (69, 7o, 77) zum Steuern der Gaszufuhr, um eine oberflächliche Gasgeschwindigkeit (superficial gas velocity) in einem Bereich zwischen 38,1 und 45,7 cm/Sekunde (1,25 und 1,5o feet/Sekunde) zu bilden.

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9. Wirbelschichtmischer nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trichter (1ο, 23) eine ungefähre Höhe von 165 im (6,5 Zoll) haben und sich von einem oberen quadratischen Querschnitt (6o) mit einer Kantenlänge von 127 mm (5 Zoll) bis zu einem unteren runden Querschnitt (61) mit einem Durchmesser von 38,1 mm (1,5 Zoll) verjüngen, wobei die Wandungen (24) der Trichter (1o, 21) unter einem Winkel von etwa 75° in bezug auf die Horizontale geneigt sind.

10. Wirbelschichtmischer nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (8, 21) einen kerntechnisch sicheren Querschnitt für das Mischen von UC>2 Pulver hat.

11. Verfahren zum Mischen eines Pulvergemisches, dadurch gekennzeichnet, daß eine allgemein vertikal ausgerichtete Mischbehälterzone mit einer darin befindlichen linearen Reihe von pyramidenförmigen Trichtern gebildet wird, die jeweils zu einer kegelförmigen, nach unten weisenden Öffnung zusammenlaufen, daß die zu mischenden Pulver in die Behälterzone in einer zum teilweisen Füllen derselben ausreichenden Menge eingefüllt werden und daß durch jede Öffnung ein Wirbelgas mit einer Geschwindigkeit nach unten geleitet wird, die ausreicht, um Blasen des Wirbelgases durch die Pulver aufsteigen und von der Oberseite derselben austreten zu lassen, bis eine homogene Mischung der Pulver erreicht ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischbehälterzone etwa bis zur halben Höhe mit Pulvern gefüllt wird, wobei die untere Hälfte der Mischbehälterzone als eine Mischkammer und die obere Hälfte der Mischbehälterzone" als ein Gasraum dienen, wo sich in dem Wirbelgas mitgerissene Pulverbestandteile absetzen können.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelgas .Stickstoff ist und mit einer oberflächlichen Gasgeschwindigkeit (superficial gas velocity) im Bereich von etwa 38,1 bis etwa 45,7 cm/Sekunde (1,25 bis etwa 1,5 feet/Sekunde) während etwa 5,5 Minuten zugeführt wird.

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14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelgas mit einer oberflächlichen Gasgeschwindigkeit (superficial gas velocity) von etwa 45,7 cm/Sekunde (1,5 feet/Sekunde) während etwa o,5 Minuten und danach mit einer oberflächlichen Gasgeschwindigkeit von etwa 38,1 cm/Sekunde (1,25 feet/ Sekunde) während etwa 5 Minuten zugeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Wirbelgases bis zu oder gerade oberhalb der einleitenden Geschwindigkeit (incipient velocity) reduziert wird, die zum Aufrechterhalten einer Aufwirbelung der Pulver ausreicht und jedoch unzureichend ist, um Gasblasen durch die Pulver aufsteigen zu lassen, und daß dann die gemischten Pulver aus den Trichtern abgelassen werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Wirbelgases bei der einleitenden Geschwindigkeit etwa 6 bis 9 cm/Sekunde (o,2 bis o,3 feet/Sekunde) beträgt.

17. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver aus UC>2 zusammengesetzt sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das UO₂ mit U-235 angereichert ist.

19. Verfahren nach den Ansprüchen 11 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelgas aus trockener Luft oder trockenem Stickstoff zusammengesetzt ist.

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