DE3006754A1

DE3006754A1 - Wirbelschichtreaktor

Info

Publication number: DE3006754A1
Application number: DE19803006754
Authority: DE
Inventors: Mizuho Hirato; Koyama Shuntaro; Miyamoto Tomohiko
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1979-02-27
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1980-08-28
Also published as: JPS5850772B2; DE3006754C2; GB2046120A; US4336227A; GB2046120B; JPS55114340A

Description

Patentansprüche

1. Wirbelschichtreaktor mit einem Reaktorbehälter, der vertikal in einen oberen, einen mittleren und einen unteren Bereich durch zx^ei im Abstand angeordnete Gasverteiler unterteilt ist und einen Gaseinlaß, der mit dem unteren Bereich in Verbindung steht, einen Feststof feinlaß, der mit dem mittleren Bereich für das Einführen der zu behandelnden Teilchen in Verbindung steht, einen Gasauslaß, der mit dem oberen Bereich in Verbindung steht, und ein Feststoffüberströmrohr auf— weist, das mit dem mittleren Bereich des Reaktorbehälters verbunden ist, gekennzeichnet durch ein erstes Detektorgefäß (71), das in der Nähe der Innenfläche des mittleren Bereichs des Reaktorbehälters (1) angeordnet ist, und in diesem Bereich strömendes Gas hindurchläßt, durch ein zweites Detektorge— faß (72), das im oberen Bereich angeordnet ist und in diesem Bereich strömendes Gas hindurchläßt, durch Detektorteilchen (15), die in dem ersten und zweiten Detektorgefäß (71, 72) enthalten sind und eine größere minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit haben als die zu behandelnden Teilchen (11), durch eine erste und

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SCHIFF V. FCJNER STREHL SCHDBEL-HOPF EaBINGHAUS FINCK *3 Π Π R 7 h

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor bzw. einen Wirbelbettreaktor und insbesondere einen Wirbelschichtreaktor, der für die Behandlung von Teilchen öder eines Gases geeignet ist, die durch die Reaktion ihre Eigenschaften ändern. Der Wirbelschichtreaktor hat einen Reaktorbehälter, der vertikal in drei Bereiche durch im Abstand angeordnete Verteilerplatten unterteilt ist, eine Gaseinlaßleitung im unteren Bereich, einen Teilcheneinlaß, der die zu behandelnden Teilchen in den mittleren Bereich einführt, einen Produktgasauslaß, der mit dem oberen Bereich in Verbindung steht und ein überströmrohr, aus welchem die Teilchen, die reagiert haben, aus dem mittleren Bereich abgeführt werden.

Nachdem man die kateilytische Fluidkrackung in der Erdölindustrie erfolgreich ausgeführt hat, werden Wirbelschichtreaktoren in weitem Rahmen in der chemischen und metallurgischen Industrie für die Durchführung von katalytischen Reaktionen, für die Kalzinierung, für das Trocknen und den Transport von Teilchen eingesetzt. Der Wirbelschichtreaktor ist eine Reaktionsvorrichtung, in der ein Wirbelbett der Reaktionsteilchen dadurch geschaffen wird, daß Fluidisierungsgas in ein Festbett der Reaktionsteilchen geblasen wird.

Anhand von Fig. 1 und 2, die in Diagrammen die Abhängigkeit des Druckabfalls von der Fluidgeschwindigkeit zeigen, wobei in Fig. 1 die Fluidgeschwindigkeit logarithmisch aufgetragen ist, wird der Übergang vom Festbett zum Wirbelbett bzw. fluidisierten Bett näher erläutert.

In Fig. 1 entspricht der Bereich a dem Festbett, der Bereich b dem Wirbelbett. Im Festbett nimmt der Druckabfall mit steigender Fluidgeschwindigkeit, d.h. mit zunehmendem Fluidmengenstrom zu. Die Teilchen schweben

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schließlich aufgrund des Fluidwiderstands in dem Fluidstrom, der auf die Teilchen entgegen der Schwerkraft ausgeübt wird. Bei einer bestimmten Fluidgeschwindigkeit ergibt sich ein konstanter Druckabfall. Der Schwebezustand der Teilchen wird als Wirbelschicht hzvj. Wirbelbett bezeichnet, Die kritische Fluidgeschwindigkeit/ die dem übergang vom Festbett zum Wirbelbett entspricht, wird im folgenden als minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit U „ bezeichnet. Sie ändert sich abhängig von den Eigenschaften der Teilchen, d. h. dem Durchmesser, ihrer Dichte und der Kugelförmigkeit der Teilchen.

Wirbelschichtreaktoren benutzen die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Wirbelbetts. Man möchte eine gute

T5 Fluidisierung beibehalten, d.h. die Bewegung der Teilchen soll sehr gut sein, das Mitreißen von Teilchen soll nur in geringem Umfang erfolgen. Um einen solchen Fluidisierungszustand zu erreichen, ist es erforderlich, die Fluidgeschwindigkeit U des Gases zu steuern, das durch das Wirbelbett hindurchgeführt wird. Da sich die Eigenschaften des Fluids und der reagierenden Teilchen durch den Reaktionsprozeß ändern, wird auch die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit U r: geändert. Somit muß die Geschwindigkeit U £ ermittelt werden, um die richtige Steuerung zu erhalten.

Man muß deshalb die Fluidgeschwindigkeit U und die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit U _f fortlaufend während des ganzen Betriebs überwachen, außerdem benötigt man eine Funktion f(U, U _f) in einer Form, die sich für den Bestand des Wirbelbetts eignet. Man hat bereits folgende Maßnahmen zur Feststellung der Geschwindigkeiten U und U _f vorgeschlagen:

1. Probenahmeverfahren, Annahme der Geschwindigkeit U ^

Durch Probenahme und Analyse werden die Eigenschaften der reagierenden Teilchen ermittelt, beispielsweise der Durchmesser, die Dichte und die Kugeligkeit der Teil-

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chen, sowie die Eigenschaften des reagierenden Fluids, beispielsweise Viskosität und Dichte. Die Geschwindigkeit U ^ wird angenommen. Die Probenahme und die Analyse erfordert eine relativ lange Zeit, so daß es schwierig ist, kontinuierliche Daten zu erhalten, die für die Betriebssteuerung verwendet werden können. Wenn die Eigenschaften nicht festgestellt werden, erhält man keinen genauen Annahmewert für die Geschwindigkeit U^. Experimentelle und theoretische Gleichungen für die Annahme der Geschwindigkeit U _f sind nicht genau genug, insbesondere im hohen Temperaturbereich.

2. Fluidgeschwindigkeitsmeßverfahren, Annahme der Fluidgeschwindigkeit ü

Die Fluidgeschwindigkeit wird direkt oder indirekt außerhalb des Reaktors gemessen. Die direkte Messung hat den Nachteil, daß der Anteil verdampfbarer Flüssigkeiten nachher hinzuaddiert werden muß. Die Zuverlässigkeit · der Messungen ist sehr gering, da viele Faktoren, beispielsweise der Druck, die Temperatur, das Teilchenmitreißen, die Fluidgeschwindigkeit im Betrieb beeinflussen.

3. Gasmengenmeßverfahren, Annahme der Fluidgeschwindigkeit U

Wenn Gas als ein Produkt des Reaktors erhalten wird, wird das hergestellte Gas aus dem Reaktor abgeführt und die Gasmenge gemessen. Aus der Gasmenge wird die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit U^ angenommen. Normalerxveise kondensieren Wasserdampf und Flüssigkeitsdampf vor der Messung. Es ist deshalb nicht einfach, einen genauen Fluidstromzustand aus der Messung des trockenen Gases anzunehmen.

Wie vorstehend ausgeführt ist, werden bei den herkömm-

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lichen Meßverfahren die Fluidgeschwindigkeit U und die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit U .c unabhängig gemessen. Man erhält kein zuverlässiges Ergebnis. Die Beziehung zwischen dem Verfahren zum Betreiben des Reaktors und den Geschwindigkeiten U und U - ist folgende:

Der Betriebszustand des Wirbelschichtreaktors wird basierend auf den Geschwindigkeiten ü und U - bestimmt. Der Reaktor wird nach dem festgelegten Betriebszustand tatsächlich betrieben. Die tatsächlichen Geschwindigkeiten U und U j. werden im Betrieb gemessen und der Bemf ^

triebszustand dementsprechend modifiziert. Eine solche Arbeitsweise eignet sich für bereits in großer Zahl durchgeführte Prozesse. Wenn jedoch ein neuer Betriebszustand eingeführt v/erden soll, benötigt man Mittel, um beurteilen zu können, ob zu regulierende Faktoren mit den vorher festgelegten oder erwarteten Werten übereinstimmen oder nicht. Für eine derartige Beurteilung hat man die nachstehenden Verfahren vorgeschlagen:

4. Das Verfahren zum Messen des Druckabfalls in der Wirbelschicht

Der Druckabfall in der Wirbelschicht ist einer der am besten geeigneten meßbaren Faktoren zur Beurteilung des Betriebszustands des Wirbelschichtreaktors, da der Druckabfall direkt zur Teilchenbewegung in Beziehung steht. Der Druckabfall kann jedoch nicht quantitativ zu allen Betriebszuständen des Wirbelschichtreaktors in Beziehung gesetzt werden. Im normalen Betriebszustand eines speziellen Reaktors bei Durchführung eines bekannten Prozesses kann der Druckabfall erfolgreich dazu benutzt werden, zu der experimentellen Beurteilung beizutragen. In Übergangsbetriebsbedingungen, beispielsweise beim Anlauf oder bei einer neuen Operation kann durch Überwachung des Druckabfalls ein ge-

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eigneter Wirbelschichtzustand nicht baibehalten v/erden.

5. Verfahren zum Messen der Temperaturverteilung in einer

Wirbelschicht
5

Die Temperaturen werden an vielen Stellen in dem Reaktor vertikal und horizontal gemessen, um den Betriebszustand der Wirbeischicht zu ermitteln. Wenn die Teilchenbewegung stark ist, ist insgesamt gesehen die Reaktortemperatür im wesentlichen gleichförmig. Wenn eine Stillstandszone vorhanden ist, zeigt die örtliche Temperaturänderung an, wo sich die Stagnationszone befindet. Die Gleichförmigkeit der Temperatur ist eine direkte Beziehung zur Fluidgeschwindigkeit U, Die Temperaturdifferenz über dem Wirbelbett nimmt ab, wenn die Fluidgeschwindigkeit zunimmt. Es ist jedoch nicht erforderlich, die Fluidgeschwindigkeit mehr als erforderlich zu erhöhen, um das Wirbelbett aufrecht zu erhalten. Die Temperaturverteilung kann quantitativ nicht zu allen Betriebsbedingungen des Wirbelbetts in Beziehung gesetzt werden, wenn sie auch eine Hilfe für die experimentelle Beurteilung im normalen Betriebszustand ist. Die herkömmliche Arbeitsweise eines Wirbelbettreaktors wird also bisher experimentell mit Hilfe des Druckabfalls in der Wirbelschicht und der Temperaturverteilung sowie unter Zuhilfenahme von ungenauen angenommenen Werten der Fluidgeschwindigkeit U und der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit U ^ ausgeführt. Dadurch, daß man keine genauen Werte für die Geschwindigkeiten U und ü _f hat, kann sich der auf der sicheren Seite befindliche Betriebszustand oder ein falscher Betriebszustand einstellen. Dies ist eine Beeinträchtigung der Entwicklung der Wirbelschichtbetriebsverfahren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Wirbelschichtreaktor zu schaffen, mit dem sich die

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— Ο ""

Fluidgeschwindigkeit U und die minimale Fluidisierungs^ geschwindigkeit tr - genau feststellen lassen, die für die

KlI

Aufrechterhaltung eines geeigneten Wirbelschichtzustands unbedingt erforderlich sind.
- ■

Erfindungsgemäß werden die Geschwindigkeiten ü und U ~ nicht unabhängig sondern als Funktion f (U, U ^) festgestellt. Dafür werden, um die Eigenschaften der Wirbelschicht auszunutzen oder um auszunutzen, daß sich die Geschwindigkeit U- aufgrund der Eigenschaften der^ Teilchen in einem Bereich des Reaktors, in dem die Gasstromgeschwindi'gkeit die Geschwindigkeit U - darstellt, und in einem Bereich des Reaktors, in welchem das abreagierte Gas strömt, nachdem es durch die Wirbelschicht hindurchgegangen ist, zwei Druckabfalldetektoren eingeführt. Jeder Druckabfalldetektor, enthält Teilchen, die eine größere Geschwindigkeit U - als die reagierenden Teilchen haben, wobei das reagierende Gas ebenfalls durch den Detektor hindurchgeht. Die Druckabfälle werden an den Detektoren ermittelt und das Verhältnis zwischen den Druckabfällen stellt die Funktion f (U, Ü ,.)

mt

dar, was im Folgenden beschrieben wird:

Es wurde gefunden, daß durch Ausnutzung der Tatsache, daß die Geschwindigkeit U - sich abhängig von den Eigenschaften ändert, die Funktion f(U, U ~) ermittelt werden kann, und daß die Funktion f(U, U -, durch Auswahl geeigneter Teilchen in Form von U/U- ermittelt werden kann, was anhand von Fig. 2 erläutert wird.

In Fig. 2 ist die Fluidgeschwindigkeit nicht logarithmisch aufgetragen. Man sieht, daß der Druckabfall proportional zur Fluidgeschwindigkeit im Festbettbereich ansteigt. Die Teilchen D sind durch die Kurve ii dargestellt, während die Teilchen R, welche einen geringeren Durchmesser als die Teilchen D haben, durch die Kurve i veranschaulicht sind. Die minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeiten für die Teil-

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chen D und R sind U __ bzw. U __. U ,._ ist größer als

mfD mfR mfD ^J

U r; : Der Druckabfall für den Zustand, wenn sich die Teilchen D und R im Wirbelbettzustand befinden, läßt sich darstellen durch -^Pp, = Δρ_. Der Druckabfall für den Zustand, wenn die Teilchen D und R den Wirbelbettzustand nicht erreicht haben, ist durch üP. bzw. A ρ dargestellt. Der Druckabfall der Teilchen D bei der Geschwindigkeit U ~ ist als AP^ dargestellt.

Die Beziehung zwischen dem Druckabfall 4P und der Fluidgeschwindigkeit U kann allgemein in folgender Weise ausgedrückt werden:

Δ P = οοϋ + ßü² (1)

Dabei sind Λ und ß die Konstanten, die auf den Eigenschaften der Teilchen und des Gases basieren. Bezüglich der Teilchen D kann folgende Beziehung geschrieben werden:

Δ P₁ 06U + ßU²

Ap, <xu ,. + ßu² _
dr mfr mfr

Die Gleichung (2) zeigt, daß durch die Ermittlung APj/AP^ die Funktion f(U, U ^) ermittelt werden kann.

Durch geeignete Wahl von Teilchen kann die Funktion f(U, U_mf) dargestellt werden als U/ü_mf oder (U/U_mf)², um die Betriebsüberwachung zu vereinfachen. Insbesondere kann Gleichung (2) folgendermaßen umgeformt werden:

ΔΡ, U 1 + ßü/tx,
(

^ümfr

ergibt dies

Wenn sowohl ßü/tX/ und ßU ^ /o~ viel kleiner als 1 sind,

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Allgemein läßt sich ßU/oc folgendermaßen darstellen:

= 0,015 Re (4)

150 (1- £)μ

Dabei sind φ der Kugelfaktor der Teilchen, ρ die Dichte des Gases, d der Teilchendurchmesser, ί der Hohlraumfaktor, μ die Viskosität des Gases und Re_n die Reynoldszahl. Wenn Re_n kleiner als 10 ist, wird der Zähler in Gleichung (3) etwa 1. Wenn die Reynoldszahl Re , bezogen auf ßU_p /cc kleiner als 10 ist, wird der Nenner von Gleichung (3) etwa 1. Gewöhnlich wird ein Reaktor so betrieben, daß die Fluidgeschwindigkeit größer als U ._ ist, so daß nur die Berechnung der Reynoldszahl Re erforderlich ist.

Aus Gleichung (4> erhält man die folgende Gleichung für den Fall, daß die Reynoldszahl Re_n, größer als 600 ist:

^APdr ^ümfr

Wenn die Teilchen D so gewählt werden, daß sie der Bedingung genügen, daß die Reynoldszahl kleiner als 10 oder größer als 600 ist, stellt das Verhältnis Λ ρ / Δρ die Beziehung U/U_mfr oder (U, ü_mfr)² dar.

Die Teilchen R sind Teilchen, die reagieren- Die Teilchen D sind Teilchen in den Detektoren. Der Druckabfall an den Detektoren wird bei den Geschwindigkeiten U und U ^ ge— _3E- messen. Aus den ermittelten Werten kann die Funktion f (U, U .e ) sowie U/U r: leicht ermittelt werden.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Wirbelschichtreak-

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tor mit einem Reaktionsbehälter, der zwei Detektorgefäße aufweist, die in dem Reaktorbehälter in der Wirbelschicht in der Nähe der Innenfläche des Reaktorbehälters und im Gasauslaßbereich angeordnet sind. Jedes Detektorgefäß enthält größere Detektorteilchen und läßt das Gas in dem Reaktorbehälter hindurch. Der Druckabfall an den Detektorteilchen wird gemessen. Das Verhältnis der beiden Druckabfälle stellt das Verhältnis aus der Fluidgeschwindigkeit und der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit unter dem Betriebszustand dar und kann als Steuerfaktor verwendet werden.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
15

Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors im Längsschnitt,

Fig. 4 schematisch den Gasstrom und die Teilchenbewegung im Wirbelbett und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wirbelschichtreaktors im Längsschnitt.

Der in Fig. 3 gezeigte Wirbelschichtreaktor hat einen zylindrischen Reaktionsbehälter 1, der vertikal in drei Bereiche durch im Abstand angeordnete Gasverteiler 21 und 22 unterteilt ist. Der untere Bereich bildet einen Windkasten, der mittlere Bereich eine Reaktionskammer für das Wirbelbett, das aus den zu behandelnden Teilchen besteht, und der obere Bereich eine Zone für das Entweichen. Mit der Seitenfläche des Reaktorbehälters 1 ist ein Gaseinlaß 3 im unteren Bereich verbunden. Mit dem unteren Abschnitt des mittleren Bereichs ist ein Feststoffeinlaß 4 verbunden. Mit dem oberen Abschnitt des mittleren Bereichs ist ein Überströmrohr 5 verbunden. Ein Gasauslaß 6 steht mit dem

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oberen Bereich in Verbindung.

An der Innenwand des Reaktorbehälters 1 sind im unteren Abschnitt des mittleren Bereichs und dem oberen Abschnitt er.cindur.g39^rarnliße DetektorgeEäße 71 bzw. 72 angebracht. Jedes Detektorgefäß 71 und 72 ist ein Zylinder, der in der Nähe der Innenwand des Reaktorbehälters 1 in einem Bereich von 1/7 des Innendurchmessers des Behälters 1 angebracht ist. Für die Aufnahme von Teilchen in den Detektorbehältern 71 und 72 hat der Detektorbehälter 71 Tragnetze 8 an seiner oberen und unteren Stirnseite, während der Detektorbehälter 72 mit dem Gasverteiler 21 als untere Stirnseite in Berührung steht. Die Teilchen 15 im Detektorbehälter 71 und 72 sind Detektorteilchen, die eine größere minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit U r- als die Teilchen im Reaktorbehälter 1 haben. Jeder Detektorbehälter 71 und 72 hat zwei den Druckabfall fühlende Leitungen 91 und 92, die mit dem oberen und unteren Abschnitt des Detektorbehälters 71 b?".^T. 72 in Verbindung stehen und durch die Seitenwand des Reaktorbehälters 1 nach außen geführt sind.

Der in Fig. 3 gezeigte Wirbelschichtreaktor arbeitet fοlgenderma ß en:

Durch den Gaseinlaß 3 wird ein Gas 10, das zur Fluidisierung beiträgt, in den unteren Bereich des Behälters 1 eingeführt. Das Gas strömt durch den Gasverteiler 21 in den mittleren Bereich. Die zu behandelnden Teilchen 11 werden in den mittleren Bereich durch den Feststoffeinlaß 4 zugeführt und bilden zusammenwirkend mit dem Gas 10 die Wirbelschicht. In der Wirbelschicht bzw. in dem fluidisierten Bett erzeugt die Reaktion der Teilchen 11 infolge der hohen Temperatur und/oder die Reaktion zwischen den Teilchen 11 und dem Gas 10 ein Produktgas 13, welches aus dem oberen Abschnitt der Wirbelschicht nach oben strömt. Von dem erzeugten Gas 13 werden mitgerissene feine Teilchen beim Hindurchführen durch den Gasverteiler 22 entfernt. Das Gas 13 wird nach

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außen durch die Gasleitung 6 in oberen Abschnitt des oberen Bereichs des Behälters 1 geführt. Die Teilchen 14, die reagiert haben, werden über das Überströinrohr 5 abgeführt.

Das durch dia Wirbelschicht 12 strömende Gas 10 strömt auch durch das Detektorgefäß 71 über das Drahtnetz 8, wodurch ein Druckabfall ΛΡ-, an den darin enthaltenen Detektorteilchen 15 erzeugt wird, die ein Festbett im Gefäß 71 bilden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Das Produktgas 13 strömt weiterhin durch das Detektorgefäß 72 und erzeugt einen weiteren Druckabfall AP^ an den Detektorteilchen 15 im Gefäß 72, welches ebenfalls ein Festbett enthält. Der Druckabfall wird über die Fühlleitungen 91 und 92 ermittelt. Wie erwähnt, ist das Verhältnis aus dem Druckabfall an den Detektorgefäßen 71 und 72 -Δρ,/ΔΡ, eine Funktion der Fluidgeschwindigkeit U und der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit U £. Das Verhältnis stellt durch geeignete Auswahl der Detektorteilchen 15, wie vorstehend beschrieben, U/U _f oder (U/U Λ² dar. Somit reguliert eine nicht gezeigte normale Steuereinrichtung den Mengenstrom des Gases 10 und die Zuführgeschwindigkeit der zu behandelnden Teilchen 11, um den gewünschten Fluidisierungszustand aufrecht zu erhalten.

Mit den erfindungsgemäßen Detektorgefäßen 71 und 72 läßt sich das Verhältnis Δρ /4P , genau ermitteln, welches die Funktion (U/U ^) darstellt, die durch geeignete Wahl der Detektorteilchen 15 U/U _f oder (U/U J² sein kann. Wenn das Detektorgefäß 71 sich innerhalb eines Bereichs von 1/7 des Innendurchmessers des Reaktorgefäßes von der Innenwand des Reaktorbehälters befindet, kann der Druckabfall bei minimaler Fluidisierungsgeschwindigkeit U genau ermittelt werden. Man weiß, daß in Wirbelschichtreaktoren der Bereich der Geschwindigkeit U^ in der Nähe der Innenwand des Reaktors erzeugt wird, was anhand von Fig. 4 näher erläutert werden soll.

Fig. 4 zeigt den Wirbelschichtzustand im Reaktorbehälter

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Die dicken Pfeile veranschaulichen den Teilchenstrom, die schmaleren Pfeile den Gasstrom. In der Nähe der Innenwandfläche des Behälters 1 bewegen sich einige Teilchen nach unten, während wenige Blasen 121 nach oben strömen. Die Gasgeschwindigkeit des Stroms längs der Innenwandfläche entspricht etwa der Geschwindigkeit U j. trotz der mittleren Fluidgescnwindigkeit U.

Für Versuche wird ein Reaktorbehälter 1 mit einem Innandurchmesser von 250 mm verwendet. Das Detektorgefäß 71 ist ein Rohr, welches 100 mm lang ist und einen Innendurchmesser von d mm hat. Das Rohr 71 besteht aus rostfreiem Stahl. Das Detektorgefäß wird in dem als Modell dienenden Reaktorbehälter 1 50 mm oberhalb vom Gasverteiler 21 angeordnet.

Wenn der Durchmesser d mehr als 65 mm ist, wird der Druckabfall Λρ, unregelmäßig aufgeteilt und von den Gasphasen beeinflußt. Wenn d 50 mm ist, ist Δ.Ρ-, intermittierend instabil. Wenn d etwa 35 mm beträgt, ist der Druckabfall AP-, konstant und zeigt einen stabilen Gasstrom durch das Detektorgefäß 71. Der Versuch zeigt, daß, wenn das Detektorgefäß 71 in der Nähe der Mitte des Reaktionsbehälters 1 angeordnet v/ird, die Gasblasen 121 den Druckabfall im Detektorgefäß beeinflussen und daß der Innendurchmesser des Detektorgefäßes 71 von dem Innendurchmesser des Reaktionsbehälters bestimmt wird. Das Verhältnis des Durchmessers des Detektorgefäßes und des Reaktionsbehälters ist vorzugsweise 1:7,14. Das Detektorgefäß 71 wird in der Nähe der Innenfläche des Reaktorbehälters 1 in einem Bereich von 1/7 des Innendurchmessers des Reaktorbehälters angebracht. Wenn sich das obere Detektorgefäß 72 im oberen Abschnitt des Reaktorbehälters 1 in der Nähe der Wirbelschichtfläche befindet, sind die Gaszusammensetzung und die Temperatur im Detektorgefäß 72 ziemlich nahe an denen im Detektorgefäß 71.
35

Der Wirbelschichtreaktor von Fig. 3 wird zur Erzeugung von Gas aus Kohle verwendet. In diesem Fall ist das Gas 10 Kohlendioxyd mit einer Temperatur von 950⁰C, während die zu

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behandelnden Teilchen 11 Kohle sind. Die Teilchen 14, die reagiert haben, sind Asche, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht. Weitere Einzelheiten sind in Tabelle 1 angeführt :

Tabelle 1

Zu behandelnde
j

!Teilchen

j Dichte

j Korngröße

Kohle (Taiheiyo) j j 1,4 g/cm³ j

lichte Maschenweite I

1,4 - 1,1 mm (12 - 14 ;

mesh) j

Zugeführtes Gas

CO₂-GaS

Detektorteilchen

Dichte

Korngröße

Schichthöhe

kugeliges Aluminium
(Al₂O₃ 99.9%)
3,96 g/cm³
1,8 mm g
100 mm

In diesem Fall stellt das Verhältnis

^u/^u _f dar.

₂t- Zunächst bildet der Bereich U/U ,. den geeigneten Wirbelschichtzustand. Die Zuführmenge an Kohle ist 7,0 kg/h, der Mengenstrom des C0₂-Gases wird variiert. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 dargestellt.

0 3 0 fJ 3 5 / 0 8 5

3Q06754

Tabelle

-Gasmengenstrom in nm³/h

Gas-Einlaßtemperatur in ⁰C

6,2

8,5

3,6 060

1 OGO ■ 1

Mittelstufentemperatur in °C|

erzeugte Gasmenge in nm³/h

in N/m²

13,8

310

930

18,7

330

1350

j U/U.

mfr

Bemerkungen

3,0 4,1

gute Fluidisierung

zuviel
mitgerissene Teilchen

905 ! ⁷'⁹

300

50 0

1,7

unzureichen de Fluidisierung

Wenn der CO--Gasmengenstrom 8,5 nm³/h erreicht, ist die 25 Fluidgeschwindigkeit U zu groß, so daß zuvieie feine Teilchen mitgerissen werden, was für die Arbeitsweise als Gaserzeuger aus Kohle nicht geeignet ist. Wenn der CO~-Gasmengenstrom auf 3,6 nm³/h reduziert ist, ist die Fluidgeschwindigkeit U zu klein und es wird keine ausreichende Wirbel-30 schicht erzeugt, so daß diese Geschwindigkeit für den richtigen Betrieb nicht geeignet ist. Ein Wert für U/U ^, bei dem sich ein guter Wirbelschichtzustand einstellt, liegt zwischen 1,8 und 4,0. In diesem Bereich wird eine zufriedenstellende Betriebsweise erreicht, was in Tabelle 3 35 gezeigt ist.

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BADJQRIGMÄL

Tabelle 3

Fests hoffprodukt

Ascha Kohle Dichte

515
49%
0,68 g/cm³

Produktgas

10,6 Vol.-%

76,0 Vol.-%

6,6 Vol.-%

5,8 Vol.-%

1,0 Vol.-%

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ändern sich die Eigenschaften der Teilchen und des Gases wesentlich durch die Reaktion, so daß die Eigenschaften der Kohle und des Speisegases nicht dazu verwendet werden können, die Geschwindigkeiten U bzw. U r: zu schätzen. Beispielsweise beträgt die Dichte der Kohle 1,4 g/cm³. Das aus dem Reaktor abgeführte Feststoffprodukt hat nur 0,68 g/cm³, was 51% weniger als bei der Rohkohle ist. Das zugeführte Gas ist CO~-Gas. Das erzeugte Gas besteht hauptsächlich aus CO, CO₂/ H₂ und CH₄. Der Gasmengenstrom ändert sich von 1,3 bis 1,8 nm³/kg Kohle.. Somit muß die Arbeitsweise des Reaktors den sich ändernden Bedingungen im Reaktor entsprechen. Dementsprechend können nur die Detektorgefäße nach der Erfindung wirksam verwendet werden, um die sich immer ändernden Betriebsbedingungen festzustellen.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform des Wirbelschichtreaktors unterscheidet sich von der von Fig. 3 dadurch, daß der Auslaß 6 für das Produktgas auf der Oberseite des Reaktorbehälters 1 mündet und daß die obere Mündung mit Detektorteilchen 15 auf einem Drahtnetz 81 gefüllt ist,

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wodurch das Detektorgefäß 72 gebildet wird. Wie vorstehend ausgeführt wurde, stehen die Fühlleitungen 9 2 mit dem Detektorgefäß 72 zur Messung des Druckabfalls an der Schicht der Detektorteilchen in Verbindung. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Fluidgeschwindigkeit ü im Gasauslaß 6 verglichen mit der des Gases in der Masse des Reaktorbehälters 1 erhöht, was jedoch leicht umgewandelt werden kann. Die Arbeitsweise und Vorteile des in Fig. 5 gezeigten Reaktors 5 entsprechen denen des Reaktors von Fig. 3. 10

Die in den Figuren 3 und 5 gezeigten Ausführungsformen sind einstufige Wirbelschichtreaktoren. Die Erfindung läßt sich jedoch auch auf mehrstufige Wirbelschichtreaktoren anwenden.

Es zeigt sich, daß der Wirbelschichtreaktor gemäß der Erfindung die Fluidgeschwindigkeit U und die minimale Fluidisierungsgeschxiindigkeit U ,- während des Betriebs als Funktion f (U/ü ^) oder in einfacherer Form U/U - oder (U/U ,.) ² durch geeignete Auswahl von Detektorteilchen in den Detektorgefäßen direkt ermitteln läßt. Dadurch können ein sehr genaues Arbeiten und eine Steuerung der Wirbelschicht ansprechend auf Änderungen der Reaktionsbedingungen im Reaktor erreicht werden. Demzufolge wird der Wirbelschichtreaktor unabhängig von Änderungen der Betriebsbedingungen stetig bzw. stabil bzw. stationär betrieben.

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-/ff;

Leerseite

Claims

eine zweite Meßeinrichtung {91, 92) zum Messen des Druckabfalls an den Detektorteilchen (15) in dem ersten und zweiten Detektorgefäß {71, 72) und durch Steuereinrichtungen zum Steuern der Mengen des zugeführten Gases und der zugeführten zu bahandeinden Teilchen, basierend auf den von den Druckabfallmeßeinrichtungen (91, 92) gemessenen Druckabfällen.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das Reaktordetektorgefaß (71) in einem Bereich angeordnet ist, der 1/7 des Innendurchmessers gemessen von der Innenfläche des Reaktorbehälters (1) aus beträgt.
3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Detektorgefäß (72) in der Nähe des oberen Gasverteilers (22) angeordnet ist.
4. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-η e t, daß der Gasauslaß (6) am oberen Ende des Reaktorbehälters (1) offen ist und das zweite Detektorgefäß {72) bildet.

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