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Verfahren zur Desublimation in einem Wirbelbett
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Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desublimation von
in einem Gasgemisch enthaltenen Bestandteilen in einer Wirbelsehicht aus Feststoffen
aus eben diesen Bestandteilen.
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Bei vielen chemischen Prozessen, z.B. der Synthese von Aluminiumchlorid
oder der Synthese von Phthalsäureanhydrid, fallen die Reaktionsprodukte dampfförmig
an und werden aus den Reaktionsgasen durch Kühlung in die feste Phase übergeführt
und abgeschieden. Diese Verfestigung und Abscheidung erfolgt beispielsweise in einem
gekühlten Wirbelbett aus Feststoffteilchen, die aus eben den abzuscheidenden Verbindungen
selbst bestehen. Das Verfahren der Desublimation von in Gasgemischen enthaltenen
dampfförmigen Bestandteilen ist nicht beschränkt auf im landläufigen Sinne als sublimierbare
Substanzen bezeichnete Verbindungen, d.h.
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solche Verbindungen, bei denen der Tripelpunktsdruck über einer Atmosphäre
liegt, wie beim Aluminiumchlorid, sondern es kann auch angewandt werden für die
Desublimation von Verbindungen, deren Tripelpunktsdruck darunter liegt, wie z.B.
Phthalsäureanhydrid, sofern nur der Partialdruck der zu desublimierenden Substanz
unterhalb ihres Tripelpunktsdrucks gehalten wird (vgl. Chem. Ing. Technik 30, 1958,
Seiten 319 - 329).
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Bei der Wirbelschichtdesublimation werden die heißen Gasgemische in
ein Wirbelbett aus Feststoffpartikeln aus der zu desublimierenden Verbindung eingeleitet,
wobei die Temperatur der Wirbelschicht unterhalb der Tripeltemperatur der betreffenden
Verbindung gehalten wird. Hierbei tritt eine Verfestigung der zu desublimierenden
dampfförmigen Komponente ein, wobei diese auf den Feststoffteilchen aufwächst bzw.
es werden neue Partikeln gebildet. Entspre-
chend der Menge der
desublimierten Substanz werden Partikeln aus der Wirbelschicht abgezogen. Die bei
diesem Verfahren erforderliche Wärme abfuhr wird durch im Wirbelbett angeordnete
Wärmeaustauschflächen bewerkstelligt.
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In den DE-OS 22 45 432 und 28 O4 744 wird die Herstellung von Aluminiumchlorid
durch Einleiten eines aluminiumchloridhaltigen Gasgemisches in ein Wirbelbett von
Aluminiumchloridpartikeln beschrieben. In der Zeitschrift Chemical Engineering Science,
1962 wird auf Seiten 481 bis 489 die sublimierende Kondensation von Naphthalin in
einer Wirbelschicht und in der Dissertation von Knuth, Universität Dortmund, 1975,
diejenige von p-Dichlorbenzol beschrieben.
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In allen diesen bekannten Anwendungen sind die WErmetauscherflächen
oberhalb der Einleitstelle,.an der das Gasgemisch in das Wirbelbett eingeführt wird,
angeordnet. Diese Anordnung ist unmittelbar einsichtig, weil die mit dem Gasgemisch
in das Wirbelbett eingebrachte Wärme mit dem Wirbelgas aufwärts strömt und damit
unmittelbar an die Wärmetauscherflächen transportiert wird.
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In Chem. Eng. Sci. (loc.cit.) wird aber auch erwähnt, daß die Kühlfläche
sich während des Betriebes des Wirbelbett--Desublimators mit einer dünnen, glasartigen
Sublimatschicht bedeckt. Auch von Knuth (loc.cit.) wird über dieselben Schwierigkeiten
berichtet. Die Bildung von Ab lagerungen oder Anbackungen, die in relativ kurzen
Zeiträumen von einigen Stunden erfolgen, auf den W<rmetauscherflächen ist für
den technischen Betrieb äußerst nachteilig, weil hierdurch der tEärmeübergang vom
Wirbelbett an die Kühlfläche drastisch verschlechtert wird bzw. bei weiterem Anwachsen
der Anbackungen eine Reinigung des Apparates notwendig wird.
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Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Desublimation
von desublimierbaren Verbindungen aus einem Gasgemisch in einer Wirbelschicht aus
Feststoffpartikeln der zu desublimierenden Verbindung bei Temperaturen unterhalb
des Tripelpunktes der zu desublimierenden Verbindung unter Entzug von Wärme auf
indirektem Wege aus dem Wirbelbett durch in dem Wirbelbett angeordnete Wärme aus
tauscher so zu führen, daß eine Belegung der Wärmeaustauscher nicht auftritt.
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Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß
man das Gasgemisch oberhalb der Wärmeaustauscher in das Wirbelbett einleitet.
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Überraschenderweise wird durch die erfindungsgemäße Arbeitsweise eine
Belegung der Kühlflächen völlig vermieden, obwohl die Rückvermischung (d.h. Vermischung
entgegen der Anströmrichtung des Wirbelgases) des Feststoffes offenbar hinreichend
groß ist, um den Wärmetransport zwischen Gaseinleitung und Kühlfläche ohne Ausbildung
eines merkbaren Temperaturgradienten zwischen Desublimationszone und Kühlzone zu
gewährleisten, daß aber die mit der Feststoffrückvermischung stets verbundene Gasrückvermischung
offenbar nicht so groß ist, daß hierdurch desublimierbare Bestandteile an die Kühlfläche
transportiert werden könnten.
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In der Figur ist das erfindungsgemäße Verfahren näher veranschaulicht.
Unterhalb des Einleitrohrs 1 des Gasgemisches ist der Wärmetauscher 2 angeordnet,
der hier mit vertikalen Rohren bestückt ist, der aber ebenso mit einem Bündel horizontaler
Rohre ausgerüstet sein kann, wobei die Rohre selbst glatt oder berippt sein können.
Das in aem Wirbelbettgefäß 3 angeordnete Wirbelbett 4 aus Feststoffpartikeln der
zu desublimierenden Bestandteile wird durch Zufuhr von Wirbelgas durch Leitung 5
aufrechterhalten,
wobei als Wirbelgas gegebenenf#.1ls ein Teil des
aus Leitung 6 abgezogenen Abgases zurückgeführt werden kann. Das die Wirbelschicht
verlassende Gas kann beispielsweise mit einem im Freiraum 7 oberhalb der Wirbelschicht
angeordneten Filter 8 entstaubt werden. Der Feststoff kann beispielsweise am Boden
der Wirbelschicht mittels Dosierschnecke 9 und Zellenradschleuse 10 abgezogen werden.
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Die Anordnung des Einleitrohrs für das Gasgemisch, das die zu desublimierende
Verbindung enthält, erfolgt zweckmäßig in einer Höhe, daß die Einleitstelle mindestens
200 mm oberhalb der Oberkante des Wärmeaustauschers und mindestens 200 mm unterhalb
der Oberfläche des Wirbelbettes liegt.
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Beispiel 1 A) In einer nach der Figur aufgebauten Apparatur wird gasförmiges
Aluminiumchlorid durch Einleiten in ein Wirbelbett von Aluminiumchloridpartikeln
desublimiert. Die Partikeln besitzen einen mittleren Durchmesser von 0,15 mm und
ein Korngrößenspektrum von etwa 0,03 - 0,4 mm. Das Wirbelbett hat einen Durchmesser
von 300 mm und eine Gesamthöhe von 2000 mm. Es wird durch Zufuhr von 27 m3/h Stickstoff
aufrechterhalten. Das an der Einleitstelle, die 500 mm unter der Bettoberfläche
und 300 mm oberhalb der Oberkante des Wärmeaustauschers angeordnet ist, zugeführte
Gasgemisch besitzt eine Temperatur von 3900C. Stündlich werden 8 kg Aluminiumchlorid
im Gemisch mit 10 m3/h (bezogen auf Normzustand) Stickstoff zugeführt.
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Stündlich werden ca. 8 kg festes Aluminiumchlorid am Boden des Wirbelbettes
ber ei Schleusensystern aLgezogen.
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Die Wirbelbett-Temperatur wird während des Versuches auf 850c gehalten.
Als Kühlfld.ssigkeit wird Spindelöl verwendet, das mit einer Temperatur von 350C
in den Wärmetauscher eintritt und mit 3900 wieder austritt.
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Nach Beendigung des Versuches wird der gesamte Bettinhalt abgelassen
und das eingebaute Kühlregister untersucht. Die Oberfläche des Wärmetauschers erweist
sich als metallisch blank nach einer Gesamtversuchsdauer von 500 Stunden.
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B) Verwendet wird zur Desublimation von Aluminiumchlorid dieselbe
Apparatur wie in Beispiel 1A), wobei lediglich der Wärmetauscher oberhalb der Einleitstelle
des gasförmigen Aluminiumchlorids montiert wird. Die Unterkante des Wärmetauschers
befindet sich dabei 350 mm über der Einleitstelle. Der Versuch wird unter denselben
Bedingungen wie im Beispiel 1A) beschrieben, durchgeführt. Die Inspektion des Wärmetauschers
nach beendetem Versuch ergibt eine deutliche Belegung der Rohroberflächen. Die Beläge,
die sich bereits nach einer Versuchsdauer von 30 Stunden gebildet haben, sind unterschiedlich
stark, zwischen etwa 0>5 und 1,5 mm.
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Beispiel 2 Die Desublimation von Phthalsäureanhydrid wurde in einer
Apparatur durchgeführt, die gegenüber der schematischen Darstellung der Figur folgende
Veränderung aufweist: das Filterçim Freiraum der Wirbelschicht wird weggelassen
und durch ein außerhalb des Wirbelschichtapparates angeordnetes Filter ersetzt.
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'Die Wirbelschicht hat einen Durchmesser von 400 mm und eine Höhe
von 1500 mm. Die Phthalsäureanhydridpartikeln des Wirbelbettes haben Durchmesser
zwischen 0,05 und 1 mm, der mittlere Durchmesser beträgt etwa 0,5 mm. Das Wirbelbett
wird durch Zufuhr von 154 m3/h Stickstoff aufrechterhalten.
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Das an der Einleitstelle, die 450 mm unter der Wirbelbettoberfläche
und 300 mm oberhalb der Oberkante der Wärme aus tauscher angeordnet ist, zugeführte
Gasgemisch besitzt eine Temperatur von 1650C. Stündlich werden 9,76 kg Phthalsäureanhydrid
im Gemisch mit 122 m3/h (bezogen auf Normzustand) Stickstoff während einer gesamten
Versuchsdauer von 30 h zugeführt. Das feste Phthalsäureanhydrid wird teils am Boden
der Wirbelschicht über ein Schleusensystem, teils aus dem extern angeordneten Filter
abgezogen. Die Wirbelbetttemperatur liegt während des Versuches bei 650C (Tripelpunkt
des Phthalsäureanhydrids 1310C bei 8,2 mbar). Als Kühlflüssigkeit wird Flußwasser
verwendet, das mit einer Temperatur von 15 0C in den Wärmetauscher eintritt und
mit 0 20 C wieder austritt. Nach Beendigung des Versuches wird der gesamte Bettinhalt
abgelassen. Die Oberfläche des Wärmetauschers erweist sich als metallisch blank.
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Beispiel 3 l In der in Beispiel 1A beschriebenen Apparatur wird ein
Gasgemisch, das aus einem FeCl3-Synthesereaktor stammt und das an der Einleitstelle
eine Temperatur von 550 0C aufweist, eingeleitet und unter sonst gleichen Bedingungen
wie in 1A beschrieben, behandelt. Auch hier zeigen sich nach der gleichen Versuchsdauer
keinerlei Beläge auf den Wärmeaustauscherflächen Zeichn.
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