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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Durchführung von
veriahrenstechni schen und metallurgischen Prozessen1 genauer auf einen Wirbelschichtapparat.
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Dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann ist bekannt, daß mit "Wirbelschicht"
oder, wie sie noch bezeichnet wird, " quasiflüssiger (fluidisierte) Schicht" die
Erscheinung des Festhaltens von Teilchen eines Feststoffes oder eines festen Reaktionsstoffes
im aufsteigenden Strom eines flüssigen und/oder gasförmigen Stoffs bzw. Reagens
bezeichnet wird . Diese Schicht entsteht bei der Bewegung des Stroms eines flüssigen
und/oder gasförmigen Reaktionsstoffes durch die schicht eines festen Reaktionsstoffes,
wenn eine chaotische Bewegung der Feststoffteilchen erfolgt und hierdurch eine Expa
dierung der letztgenannten Schicht stattfindet.
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Die Wirbelschicht, d.h. die quasiflüssige Schicht, kann bei Geschwindigkeiten
des fluidisierenden Stroms eines flüssigen und/oder gasförmigen Reaktionsstoffes
bestehen, die einen bestimmten Wert übereteigen, welcher als Anfangsfluidisations
geschwindigkeit bezeichnet wird. Der aufsteigende;Strom eines flüssigen und/oder
gasförmigen Reaktionsstoffes der eine Wirbelschicht, d.h. eine quasiflüssige (fluidisierte)
Schicht erzeugt, wird als fluidisierender Strom bezeichnet.
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Am wirksamsten kann die Erfindung in Einrichtungen zur Verarbeitung
von polydispersen polymetallisohen Erzen in der NE-Metallurgie, und zwar zur Durchführung
von Extrattions- und Oxydationsprozessen im quasiflüssigen System "Feststoff - Gas
-- Flüssigkeit", d.h. in einem dreiphasigen Wirbelschichtsystem
verwendet
werden.
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Bekanntlich definiert der Fachausdruck "polydispers" unterschiedliche
Größen der Feststoffteilchen.
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Die Erfindung kann ferner in Einrichtungen zur Wirbelsohiohtverarbeitung
von anderen bekannten Erzen in der metallurgischen und chemischen Industrie verwendet
werden.
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Bekannt ist ein Apparat zur Durchführung von hydrometallurgischen
Prozessen, der längs seiner vertikalen Längsachse in Richtung von unten nach oben
aufeinanderfolgend angeordnet eine zglindrisohe Zarge für Grobfraktionen und zwei
sich nach oben verbreiternde konische Zargen - eine Zarge für Mittelfraktionen und
eine Zarge für Feinfraktionen besitzt.
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Diese Zargen sind axial angebracht und untereinander in Verbindung
gesetzt.
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An der Zarge für Feinfraktionen ist ein Deckel angebracht, und die
Zarge für Grobfraktionen ist mit einem Boden versehen. Im Gehäuse sind Stutzen zur
Zuführung für zur Zarge Grobfraktionen eines Preßgases und eines Ausgangsproduktes
angeordnet, das in der Wirbelschicht behandelt werden muß, die in der Seitenwand
dieser Zarge geneigt relativ zu der vertikalen Längsachse d ep des Wirbelsohichtapparates
befestigt sind.
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Vorgesehen ist ferner ein Stutzen zur Abführung des bearbeiteten
Produktes aus dem Wirbelschichtapparat, der in der Seitenwand der Zarge für Feinfraktionen
in deren oberem Teil ebenfalls geneigt relativ zu der vertikalen Längsachse des
Wirbelschichtapparates befestigt ist.
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Die Zargen grenzen auf eine solche Weise aneinander, daß an der oberen
Kante der Zarge für Grobfraktionen
die untere Kante der Zarge für
Mittelfraktionen anliegt, an deren oberer Kante die untere Kante der Zarge für Feinfraktionen
anliegt.
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Quer zur vertikalen Achse des Wirbelsohichtapparates ist ein Gitter
angebracht, das zur gleichmäßigen Verteilung des fluidisierenden Stroms des flüssigen
Reaktionsstoffes im gesamten Volumen des Wirbelschicht apparat es bestimmt ist und
sich in der Zarge für Grobfraktionen befindet (Sammlung wissenschaftlicher Arbeiten
des Staatlichen Forschungsinstituts für Nu metalle "NE-Metallurgie", Nr. 29, Verlag
"Metallurgiäa", Moskau, 1969, S. 123).
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Der bekannte Wirbelschichtapparat weist eine unzureichende Betriebszuverlässigkeit
bei der Verarbeitung von poly dispersen Erzen auf.
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Der bekannte Wirbelschichtapparat weist ferner eine unzureichende
Effektivität bei der Verwertung des Luftsauerstoffs, der zusammen mit dem Ausgangsprodukt
zugeführt wird auf.
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Dies erklärt sich dadurch, daß bei der Anordnung des Gitters in der
Zarge für Grobfraktionen bei einem zumeist recht großen Durchmesser dieser Zarge,
der ausgehend von der Bedingung einer sicheren Abführung des behandelten Produktes
aus dem Wirbelachichtapparat gewillt wird, das Fluidisieren von Grobfraktionenteilchen
in dieser Zarge, wie die Erfahrung zeigt, mit einer ungenügenden Geschwindigkeit
vor sich geht. Dies tritt besonders kraß in Erscheinung, wenn nach verfahrenstechnischen
Bedingungen eine beschränkte Menge an fluidisierenden Reaktionsstoff benutzt werden
muß, der dem Wirbelschichtapparat zusammen mit dem Ausgangsprodukt zur rzeurung
des fluidisiedenden
Stroms zugefiihrt wird.
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In manchen Fällen wird die erforderliche Fluidisationsgeschwindigkeit
der Grobfraktionenteilchen durch zweckdienlich dem fluidisierenden Strom zusätzlich
zugeführtes Preßgas erzeugt. Dabei werden aber, wie die Erfahrung zeigt, die Fluidisationsbedingungen
von Fein- und Mittelfrakt ionenteilchen beeinträchtigt. Dies führt zur Störung des
technologischen Prozesses wegen stark herabgesetzter Zusammenwirkung der Ausgangsproduktreagenzien
im Wirbelschichtapparat.
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In anderen Fällen wird die erforderliche Fluidisationsgeschwindigkeit
durch eine Vergrößerung des Kegelwinkels der konischen Zargen des Wlrbelschichtapparates
ungefähr bis zu 60erzielt. Aber bei solch großen Kegelwinkel findet eine intensive
Ablagerung fester Teilchen an den Gehäusewänden über dem Gitter statt, die bereits
bei einem Kegelwinkel von 450 zu verzeichnen ist.
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Die an den Gehäusewänden abgesetzten Teilchen sammeln sich mit der
Zeit an, werden verdichtet und gleiten in dichten Schichten an den Wänden des Wirbelschichtapparates
auf die Gitteroberfläche herunter. Dies steigert den Strömungswider stand des Gitters
an dessen Umfang und bewirkt eine Zunahme der Geschwindigkeit des fluidisierenden
Stroms länge der vertikalen Längsachse des Wirbelschiohtapparates.
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Die ungleichmäßige Verteilung der Geschwindigkeiten auf dem Querschnitt
des Wirbelschichtapparates beeinträchtigt die Homogenität der in ihm entstehenden
Wirbelschicht. Hierbei werden die gröberen Teilchen aus der zentralen Zone der Wirbelschiciit
in die Zone niedriger Geschwindigkeiten, d.h. an die Wände des
Wirbelschichtapparates
herausgeschleudert, was zu einer intensiveren Verstopfung der Gitteröffnungen durch
feste Teil ohren, insbesondere in der Nähe des Gitterumfangs beiträgt.
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Zur Beseitigung dieser Erscheinung sind in einigen Fällen recht kompliziert
aufgebaute mechanische Einrichtungen zur kontinuierlichen reinigung der Gitteröffnungen
angewendet oder aber Gitter eingesetzt, deren Aufbau es ermöglicht, daß unter-der
Einwirkung des zunehmenden Gewichts der auf dem (diese Gitter angesammelten DeilchenAzur
Wiederherstellung des ursprünglichen Strömungswiderstandes unter Reinigung der Gitteröffnungen
von abgesetzten Teilchen herunterfallen zu lassen.
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All dies aber macht den Aufbau sehr kompliziert und erschwert die
Bedienung des Wirbeischichtapparates.
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Im bekannten Wirbelschichtapparat wird zur Freimachung der Gitteröffnungen
von abgesetzten Teilchen unter das Gitter über einen in der Wand der Zarge für Grobfraktionen
vorgesehenen Stutzen ein Preßgas, nämlich Preßluft, zugeführt. Das Gas wird in regelmäßigen
Zeitabständen bis zum vollständigen Loslösen der abgesetzten Teilchen vom Gitter,
d.h. bis zum endgültigen Freimachen der Gitteröffnungen zugeführt.
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Jedoch geht in diesem Fall mit der Freimachung bzw. Heinigung der
Gitteröffnungen von den auf dem Gitter abgesetzten Teilchen öfters eine Beeinträchtigung
der einzuhaltenden Geschwindigkeiten des fluidisierenden Stroms in der gesamten
Höhe des Wirbelschichtapparates einher, die ausgehend von der Bedingung der vollkommensten
Zusammenwirkung der Ausgangsproduktreagenzien in der Wirbelsohioht gewühlt werden.
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Dies erklärt sich dadurch, daß zum Durchfließen des fluidisierenden
Stroms durch das Gitter, dessen Öffnungen von
einer festatehenden
Schicht der auf dem Gitter abgesetzten Teilchen verstopft sind, das unter einem
hohen Druck zugeführt werden muß. Daher wird die Fluidisierung der erwähnten feststehenden
Schicht auf dem Gitter bzw. die Reinigung desselben durch das zugeführte Preßgas
stets von einer starken Zunahme der Geschwindigkeitsgröße des aufsteigenden Stroms
in der Höhe des Wirbelschichtapparates über dem Gitter, die meist den vorgeschriebenen
Wert ums 2-3fache übertrifft begieitet. In diesem Fall können die Festreagensteilchen
nicht weiter im stand Schwebezu verbleiben, wie dies die Technologie der Zusammenwirkung
der Ausgangsproduktreagenzien vorsieht; sie werden aus der Wirbeischicht ausgetragen,
so daß jene Verweilzeit derselben in der Wirbelschicht, die zur vollständigen Zusammenwirkung
der Ausgangsproduktreagenzien ausre icht, nicht gewährleistet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelschichtapparat
zu schaffen, in dem das Gitter eine solche Lae und einnimmt, daß die Erzielung von
technologisch bedingten vorgesehenen Geschwindigkeiten des fluidisierenden Stroms
auf der gesamten Höhe des Wirbelschichtapparates gewährleistet wird Diese Aufgabe
wird dadurch gelöst, daß in einem Wirbelschichtapparat, der längs der vertikalen
Längsachse des Wirbelsohichtapparates in Richtung von unten nach oben aufeinanderfolgend
angeordnet, untereinander in Verbindung stehende eine Zarge für Grobfraktionen mit
Stutzen zur Zuführung eines Preßgases und eines in der Wirbelschicht zu behandelnden
Ausgangsproduktes und sich nach oben verbreiternd eine Zarge für Mittelfraktionen
und eine Zarge für Feinfraktionen mit
einem Stutzen zur Abführung
des behandelten Produktes enthält sowie ein Gitter aufweist, das quer zur vertikalen
Längsachse des Wirbelschichtapparates angebracht ist, erfindungsgemäß das Gitter
in der Zarge für Feinfraktionen angeordnet ist.
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Diese Anordnung des Gitters gestattet den Kegelwlnkel der Zargen
für Fein- und Grobfraktionen zu verringern, weil eine Störungsmöglichkeit des technõlogischen
Prozesses in der fluidisierten Schicht des Ausgangsproduktes bei kontinuierlicher
Zuführung von Preßgas, nämlich Preßluft, vermieden wird, wie nachstehend erläutert
werden 9011.
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Dies gewährleistet ferner eine Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit
des Wirbelsohichtapparates auch dank verminderter Anhaftung der Teilchen an den
Zargenwänden und erhöht die Effektivität der Verwertung des Luftsauerstoffs.
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Darüberhinaus entfällt in dem erfindungsemäßen Wirbelschichtapparat
die sonst erforderliche Überwindung des Strömunswiderstandes des Gitters durch den
fluidisierenden Strom bei hohen Fließgeschwindigkeiten des Preßgases durch die Gitteröffnungen
(Druckverluste am Gitter sind der Ausströmungsgeschwindigkeit des Preßgases aus
der Öffnung direkt proportional).
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Dies gestattet es, den Druck der dem Apparat zugeführten fluidisierten
Preßgasschicht zum Transport des polydispersen Ausgangsproduktes (mitunter auch
des flüssigen Reagens) in die Zarge für Grobfraktionen auszunutzen.
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Im Wirbelschichtapparat des beschriebenen Aufbaues führt die kontinuierliche
Pregaszuführung keine Störung des in deinselbem ablaiitenden technologischen Prozesses
herbei.
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Dies erklärt sich daduroh, daß die Wirkungszone der eruptierenden
Schicht, unter der meist jener Teil des fluidisierenden Stroms verstanden wird,
dessen Richtung mit der vertikalen Längsachse zusammenfällt und die Geschwindigkeiten
besitzt, deren Größe die Geschwindigkeiten des übrigen Teils des fluidisierenden
Stroms beträchtlioh übersteigt, durch das in der Zarge für Feinfraktionen angebrachte
Gitter begrenzt ist, weil die hohe Geschwindigkeit des fluidisierenden Stroms im
Wirbelschichtapparat bei der Überwindung des Strömungswiderstandes des Gitters gemindert
wird.
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Wie vorstehend beschrieben, ist die Zone der gleichmäßigen Gesohwindigkeiten
des fluidisierenden Stroms in horizontalen Querschnitten einer jeden Wirbelsohicht
hauptsächlich durch den Gitterdurchmesser bestimmt. Der Gitterdurchmesser hängt
mit den Geschwindigkeiten des fluidisierenden Stroms zusammen, im vorgesehenen Wirbelschichtapparat
ist er um das 10 bie 15fache größer als der Gitterdurohmesser bei dem bekannten
Wirbelschichtapparat. Deswegen ist auch die Höhe der gleichmäßigen Geschwindigkeiten
des fluidisierenden Stroms in horizontalen Querschnitten der fluidisierten Schicht
im Apparat des erfindungsgemaßen Aufbaues um denselben Betrag gröBer, Dies berechtigt
zur Feststellung, daß im Wirbelsohichtapparat erfindungsgemäßen Aufbaues eine intensive
Zusammenwirkung aller Ausgangsproduktreagenzien bei kontinuierlicher Zuführung von
Preßgas zur Zarge für Grobfraktionen gewährleistet wird. Die Erzeugung einer gleichmäßigen
Wirbelsohicht bei kontinuierlicher Preßgaszuführung geatattet es, den Durchmesser
der Zarge für Grobfraktionen zumindest um das 2 bis
3fache zu vergrößern
und hierdurch bei derselben Höhe wie beim bekaarften Wirbeischichtapparat den Eegelwinkel
der Zargen für Fein- und Mittelfraktionen bis auf einen Winkel zu verringern, der
ein rasches Heruntergleiten der festen Teilchen an den Wänden dieser Zargen gewährleistet,
so daß demnach ein Ansammeln der Teilchen an den Wänden vermieden wird.
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Andererseits kommt der Luftsauerstoff, indem er durch das Gitter
und die gleichmäßig fluidisierte Schicht feindisperser Teilchen, d.h. die erfindungsgemäß
erzeugte Wirbelsohicht ausreichender Höheitrömt, die gleichmäßige Geschwindigkeiten
besitzt, zu aktiver Beteiligung am teohnologischen Prozeß.
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Zweckmäßig wird das Gitter mit einem Spalt an seinem Umfang relativ
zu der Innenfläche der Zarge für Feinfraktionen angebracht.
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Diese Anordnung des Gitters gestattet es den Teilchen, die sich an
den Wänden dieser Zarge für Feinfraktionen zufällig abgesetzt haben, in die darunter
liegenden Zargen frei herunterzugle iten.
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Sollte das nicht vorgesehen worden sein, würden die sich zufällig
abgesetzenden Teilchen beim Fehlen des vorerwähnten Spaltes mit der Zeit an den
peripheren Teil der Gitteroberfläche gelangen. Dies könnte zur Veränderung der berechneten
Größe des Querechnitts der jeweiligen Zarge und darauf zur Veränderung der technologisch
vorgeschriebenen Geschwindigkeit des fluidisierenden Stroms führen, d.h. den technologischen
Betriebszustand im Wirbelsohichtapparat stören.
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Zweckmäßigerweise wird ferner ein weiteres Git t er vorgesehen, das
in der Zarge für Mittelfraktionen praktisch parallel zum erwähnten Gitter angebracht
wird, wobei die Öffnungen des anerst
deren Gitters relativ zu den
Öffnungen des erwähnten Gitters in horizontaler Richtung verschoben sind.
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Diese konstruktive Lösung erlaubt es die eruptierende Sohioht in
der Zarge für Mittelfraktionen in eine gleichmäßig fluidisierte Schicht umzuwandeln.
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Das Verschobensein der oeffnungen des anderen Gitters in erst horizontaler
Richtung relativ zu den Oeffnungen des erwähnten Gitters bei gegebenen Weiten der
Öffnungen der beiden Gitter gestattet es, die Gleichmäßigkeit der Wirbelschicht
in den Zargen für Fein- und Grobfraktionen zu erhöhen. Dies erbeiden klärt sich
durch eine Intensivierung des an den erwähnten Gittern erfolgenden Zerstörungsprozesses
des aufsteigenden Stroms, der aus Gasbläschen besteht.
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auch Bb empfiehlt sich, daß das andere Gitter) mit einem Spalt an
seinem Umfang relativ zu der Innenfläche der Zarge für Mittelfraktionen angebracht
wird.
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Dies erlaubt es in der vorstehend erläuterten Weise, ein Ansammeln
von sich absetzenden Teilchen am peripheren Teil der Gitteroberfläche zu vermeiden.
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Zweckmäßig wird in der Zarge für Grobfraktionen ein Rohr angebracht,
das praktisch längs der vertikalen Längsachse des Wirbelschichtapparates in einem
bestimmten Abstand vom Boden der Zarge für Grobfraktionen liegt und zur Erzeugung
eines aufsteigenden Stroms des Aus;angsproduktes bestimmt ist, während der Stutzen
zur Preßgaszuführung koaxial zu diesem Rohr angebracht wird.
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Das in der Zargeofür Grobfraktionen vorgesehene Rohr und die vorstehend
beschriebene Anordnung eines Stutzens zur Preßgaszuführung
beim
in der Zarge für Feinfraktionen angebrachten Gitter gewährleisten einen gleichmäßig
fluidisierten Zustand der gröbsten Fraktionen im Innern des erwähnten Rohres bei
Erhaltung von einem recht großen Durchmesser der Zarge für Grobfraktionen bzw. bei
einem recht kleinen Segelöffnungswinkel, der ausgehend von der Bedingung eines kontinuierlichen
Heruntergleitens der Teilchen von den Zargenwänden gewählt wird.
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Dieser Aufbau des Wirbelschicht apparat es gestattet es ferner, eine
drucklose Beschickung desselben mit dem Ausgangsprodukt dank dem Ejektionseffekt
zwischen dem Rohr in der Zarge für Grobfraktionen und dem Stutzen zur Preßgaszuführung,
der koaxial zu diesem Rohr angebracht ist zu erzielen.
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Vorteilhaft hat das Gitter die Form eines in Richtung auf die Zarge
für Grobfraktionen zu geöffneten Kegels und ist mit der Wand der Zarge für Feinfraktionen
mit Hilfe von elementen verbunden , . die an ihren einen Enden mit dem Gitter starr
verbunden sind und an ihren anderen Enden sich auf die Wand der Zarge für Beinfraktionen
frei stützen.
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Vorzugsweise hat auch das andere Gitter die Form eines in Richtung
auf die Zarge für Grobfraktionen zu geöffneten Kegels und ist mit der Wand der Zarge
für Mittelfraktionen mit Hilfe von Elementen verbunden, die an ihren einen Enden-mit
dem anderen Gitter starr verbunden sind und an ihren anderen Enden sich auf die
Wand der Zarge für Mittelfraktionen frei stützen.
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Die Ausführung der Gitter in Form eines in Richtung der darunter
liegenden Zarge für Grobfrakt ionen geöffneten
Kegels gewahrleistet
eine kontinuierliche Verschiebung der an, den Gittern abgesetzten Teilchen zu den
am Umfang liegenden Spalten. Durch diese Spalte gelangen die Teilchen in die darunterliegende
Zarge für Mittelfraktionen und die Zarge für Grobfraktionen, in denen der fluidisierende
Strom höhere Geschwindigkeiten besitzt. Demnach wird ein kontinuierliches Fluidisieren
der Teilchen gewährleistet, die an den Wänden der erwähnten Zargen heruntergleiten
bzw. sich verschieben.
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Andererseits gewährleistet diese Ausführung und Anordnung der Gitter
eine gleichmäßigere Wirbelschicht aller Teil chen, schließt eine eventuelle Überströmung
des aufsteigenden Stroms durch den peripheren Spalt aus. Die kegelige Form Ansprech
der Gitter erhöht ferner die empfindlichkeit auf Veränderungen des vom fluidisierenden
Strom ausgeübten Druckes. tals Hier und im weiteren wird) Ansprechempfindlichekit
eines jeden Gitters auf Veränderungen des vom fluidisierenden strom ausgeübten Druckes
ein Druckzuwachs verstanden, der zur anfänglichen Verschiebung des Gitters nach
oben bzw. nach unten längs der vertikalen Längsachse des Wirbelschichtapparates
erforderlich ist.
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Da die Gitter im erfindungsgemäßen Wirbelschichtapparat keine starre
Verbindung mit dem Gehäuse besitzen. wird bei ei-Ansprech ner für die gegebene empfindlichkeit
ausreichenden Druckzunahme des fluidisierenden Stroms eine ausstoßende Verdrängungskraft
unter dem Gitter erzeugt, und das Gitter schwimmt auf". Gleichzeitig ) nehmen die
Spalte zwischen den Gitterkanten und der Wand des Wirbelschichtapparates hierbei
wegen der Kegeligkeit der Wände zu, wodurch der Strömungswiderstand des Wirbelschichtapparates
in der iöhe der aufgeschwommenen Gitter verringert wird.
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Eine Verringerung des Strömungswiderstandes führt zur Verminderung
der das Gitter ausstoßenden Kraft, da der Druck des fluidisierenden Strom unter
einem jeden Gitter durch Abnahme des Druckverlustes des fluidisierenden Stroms bei
der Überwindung des Gittergewichtes sprungartig abnimmt. Kraft dieses Effektes werden
die Gitter dann in ihre ursprüngliche Lage zurückgeführt. Diese Verschiebungen der
Gitter erfolgen so lange, bis alle Ursachen vollkommen beseitigt sind, die das Ansprechen
. der Gitter auf Veränderungen des vom fluidisierenden Strom ausgeübten Druckes
bedingen.
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Hauptsächlich sind zwei Ursachen für die Entstehung von das Gitter
ausstroßenden Kräfte bekannt: Zunahme des Strömungswiderstanues des Gitters infolge
der Absetzung von festen Teilchen an der Oberfläche desselben sowie Puleationen
des vom fluidisierenden Strom ausgeübten Druckes. Der Umstand, daß die Gitter imstande
sind, sich längs der vertikalen Achse des Wirbelsohichtapparates zu verschieben,
gewährleistet eine intensive Selbststabilisation ihres Strömungswiderstandes, d.h.
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die Gitter reinigen sich von den an ihrer Oberfläche abgesetzten Teilchen
von selbst und tragen zu einer besseren Vermifachung des Ausgangsproduktes durch
Versetzen desselben in niederfrequente Vibration bei Pulsationen des vom fluidisierenden
Strom ausgeübten Druckes bei.
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Es empfiehlt sich, einen längs der vertikalen Längsachse des Wirbelsehichtapparates
angeordneten Behälter vorzusehen, der an dem Gitter befestigt ist und mit einer
Preßgasqueile über einen Druckregler in Verbindung steht.
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Es empfiehlt sich ferner, einen längs der vertikalen
Längsachse
des Wirbelschichtapparates angeordneten Behälter n vorzusehen, der an dem andere/Gitter
befestigt ist und mit einer Preßgasquelle über einen Druckregler in Verbindung steht.
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Diese konstruktive Ausführung des Wirbelschichtapparates führt zur
Vergrößerung der Empfindlichkeitszone bzw. Verrinen gerung der Unempfindlichkeitszone
der Gitter gegen Veränderung des vom fluidisierenden Strom ausgeübten Druckes. Die
Unempfindlichkeitszone der Gitter entsteht infolge erschwerter Abstimmung der Größe
der ausstoßenden Verdrängungskraft, des ursprünglichen Strömungswiderstandes der
Gitter und der Geschwindigkeit des fluidisierenden Stroms.
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Das Ellen der erwannten Behälter mit Preßgas erzeugt eine zusätzliche
Kraft, die das Aufschwimmen der Gitter fördert. Indem man die Größe des Gasdruckes
in den Behältern regelt, überführt man ein Gitter in einen fließenden Zustand im
fluidisierenden Strom unter konkret entstandenen Funktionsbedingungen des Wirbelsohichtapparates.
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Da der Fließzustand eines beliebigen Gegenstandes dem gewicht Gleich
mit der ausstoßenden Kraft entspricht, die im wesentlichen dem vom fluidisierenden
Strom ausgeübten Druck sowie dem sich aus dem Strömungswiderstand des Gitters ergebenden
Druck sowie dem Gittergewicht proportional ist, so führt gewichtes sogar aie geringste
Verletzung dieses Gleich zur Verschiebung des Gitters. Daraus folgt offensichtlich
eine hohe Gitterempfindlichkeit gegen Veränderungen des von fluidisierenden Strom
ausgeübten Druckes. Berücksichtigt man ferner, daß der vom fluidisierenden Strom
ausgeübte Druck dem Strömungswiderstand eines jeden Gitters direkt proportional
ist,
führt dies offensichtlich zur vertikalen Versohiebung eines jeden Gitters.
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Die Gesamtheit der beschriebenen neuen Eigenschaften des erf ind
unKsgemäBen Wirbelschicht apparat es schließt die Unterschreitens Möglichkeit eines
Uber- oder)der vorgeschriebenen Geschwindigkeiten des fluidisierenden Stroms in
allen Querschnitten weitgehend und in der gesamten Höhe dieses Apparatesraus, was
dessen Betriebs- bzw Funktionszuverlässigkeit erhöht.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Wirbelschichtapparates gewährleistet
neben einer erhöhten Betriebszuverlässigkeit bzw. einer erhöhten Sicherheit der
in ihm durchgeführten technologischen Prozesse auoh eine Erhöhung der Effektivität
der Verwertung des Preßgases als . des Ausgangsprodukt und vereinfacht die Zuführung
des Auagangaproduktes zur Wirbelschicht.
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Die erwähnten Besonderheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden
bei der Betrachtung einer konkreten Ausführungsform anhand' der nachstehenden Beschreibung
unter indirlzelneñ Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, die eine
schematische Darstellung eines gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Wirbelschichtapparates
im läängsschnitt zeigt.
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Der erfindungsgemäße Wirbelschichtapparat besitzt eine vertikale
Längsachse 1 und enthält in der Höhe des Apparates in Richtung von unten nach oben
aufeinanderfolgend angeordnet eine Zarge 2 für Grobfraktionen, die die Form eines
Zylinders hat, und eine sich nach oben verbreiternde konische Zarge 3 für Mittelfraktionen.
An die Zarge 3 für Mittelfraktionen
grenzt eine sich nach oben
verbreitende konische Zarge an 4 für PeinfraktionenK,in deren oberem Teil ein Stutzen
5 zur Abführung des behandelten Produkts montiert und ein Spritzwasserschutzdeckel
6 angebracht ist.
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Die Fläche S1 des kleinsten Querschnitts der Zarge 2 für Grobfraktionen
verhält sich zur Fläche S2 des größten Querschnitts der Zarge 4 für Feinfraktionen
wie das Verhältnis der Anfangsfluidisationsgeschwindigkeit V1 der Grobfraktionen
zur Anfangsfluidisationsgeschwindigkeit V2 der feinsten Fraktionen, d.h.: S1 : S2
= V1 : V2 Die Wände der Zargen 2, 3, 4 sind mesit aus einem korrosionsfesten Werkstoff
mit einer Dioke von 5 bis 8 mm mit einem Kegelöffnungswinkel der Zarge 3 und der
Zarge 4 von nicht über 450 ausgeführt, der ein zufriedenstellendes Heruntergleiten
der festen Teilchen an den Wänden gewährleistet.
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Die Zarge 2 für Grobfraktionen ist mit einem kegelförmigen Boden 7
versehen. Am Boden 7 ist in der Zarge 2 ein Stutzen 8 zur einführung eines einen
flüssigen und einen festen Reaktionsstoff enthaltenden Ausgangsproduktes angebracht,
der mSt einer Ausgangsproduktquelle verbunden ist.
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Im Boden 7 iet längs der vertikalen Längsachse 1 des Wirbelschichtapparates
in einer zentralen (nicht angedeuteten) Bohrung ein Stutzen 9 zur Zuführung eines
Preßgases, im vorliegenden Eall von Preßluft, von einer (nicht mitabgebildeten)
Preßgasquelle angeordnet, die zur Erzeugung des fluidisierenden Stroms unter Druck
zugeführt wird.
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In der Zarge 4 für Feinfraktionen ist ein Gitter 10 vorgesehen, das
quer zur vertikalen Längsachse 1 angebracht ist.
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Das Gitter 10 ist aus Blech gefertigt und mit einem Spalt an seinem
Umfang relativ zu der Innenfläche der Zarge 4 für Feinfraktionen angeordnet.
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Auf dem Versuohswege wurde festgestellt, daß die Größe des erwähnten
Spaltes nicht kleiner als 20 bis 50 mm sein sollte, wodurch eine freie Bewegung
der Festteilchenschicht entlang den Wänden des Wirbelschichtapparates gewahrleistet
wird.
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In der Zarge 3 für Mittelfraktionen ist ein weiteres Gitter 11 angebracht,
das parallel zum Gitter 10 liegt. Hierbei sind die (nicht angedeuteten) Offnungen
der Gitter 10 und 11 relativ zueinander in horizontaler Richtung derart verschoben,
da! der Strahl des fluidisierenden.Stroms. der aus irgendeiner ,nicnt -Oeffnung
des Gitters 11 austritt , in die zu dieser am nachsten liegende Offnung des Gitters
10 gelangt. Die Weiten und die Anzahl der Öffnungen in den Gittern 10 und 11 werden
so gewählt, daX die Erzeugung einer gleichmäßigen quasiflüssigen Schicht aus Teilchen
von Mittel- und Feinfraktionen jeweils in den Zargen 3 und 4 gewährleistet ist .
Das Gitter 11 ist wie auch das Gitter 10 mit einem Spalt von 20 bis 50 mm am gesamten
Umfang relativ zu der Innenfläche der Wände der Zarge 3 für Mittelfraktionen angeordnet.
Die Gitter 10, 11 haben keine starren Verbindungen mit den Wänden der Zargen 3 und
4, was ihnen im Notfall eine gewisse freie Verschiebung längs der Achse 1 gewährleistet.
Die Anordnung der Gitter 10, 11 geschieht mit Hilfe von (nicht abgebildeten) Führungselementen,
die ein exaktes Aufrechterhalten der Parallelität dereelben zur Ausgangsstellung
bei ihrer Verschiebung längs der Achse 1 gewährle isten.
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Die Gitter 10 und 11 sind mit den Wänden einer entsprechenden
Zarge
3 bzw. 4 mit Hilfe von elastischen Elementen lOa und lla verbunden, die an ihren
einen Enden mit den Gittern 10, 11 starr verbunden sind und an ihren anderen Enden
sich auf die Wände der jeweiligen Zarge 3 bzw. 4 frei stützen.
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In der Zarge 2 fur Grobfraktionen ist längs der Achse 1 in einem
bestimmten Abstand vom Boden 7 ein Rohr 12 angebracht, das zur Erzeugung eines aufsteigenden
Stroms des Ausgangsprc-.
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eduktes bestimmt ist. Hierbei ist der Stutzen 9 zur Einführung von
Preßgas koaxial zu diesem Rohr 12 angeordnet. Der Querschnitt des Rohres 12 und
dessen Abstand vom Boden 7 sind so gewählt, daß es praktisch ein Airliftrohr bekannter
Kontes struktion darstellt, wie in hydrometallurgischen Druckluftmischern zum Einsat
kommt. Die Höhe des Rohres 12 ist durch die Höhe der Zarge 2 für Grobfraktionen
begrenzt, aber zu einer gleichmäßigeren Verteilung des fluidisierenden Stroms sollte,
wie auf dem Versuchsweg festgestellt wurde, der Abstand zwisohlen dem zentralen
Punkt des Gitters 10 und dem oberen Ende des Rohres 12 nicht wenigeials 500 mm betragen.
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Im beschriebenen Wirbelschichtapparat besitzen die Gitter 10 und
11 die Form von Kegeln, die in Richtung auf die Zarge 2 für Grobfraktonen zu geöffnet
sind. Diese Form der Gitter 10, 11 ist im Hinblick auf eine gleichmäßigere Verteilung
der aufsteigenden Gasbläschen, die sich zusammen mit dem fluidisierenden Strom bewegen,
an den Gittern 10 und 11 gewählt.
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Unter jedem Gitter und 11 ist ferner ein längs der Längswachse 1
angeordneter Behälter 13 mit einer (nicht angedeuteten) Öffnung im unteren Punkt
vorhanden, der mit einer (nicht abgebildeten
) Preßgasquelle über
einen Druokregler 14 in Verbindung gesetst ist. Jeder Behälter 13 ist an seinem
Gitter 10 und 11 starr - im vorliegenden Fall durch Schweißen - befestigt, u.z.
derart, daß die Kraft, die beim Füllen des Behälters 13 mit Preßgas vom Druckregler
14 entsteht, zugleich auoh den Behälter 13 und ein jeweiliges Gitter 10 b,zw. 11
längs der Achse 1 mitnimmt. Die beiden Behälter 13 beeinträchtigen die Gleichmäßigkeit
der Wirbelschicht über dem Gitter 10 bzw. 11 praktisch nicht, und der vom Druokregler
14 eingestellte Preßgasdruck ist zum Ausstoßen des flüssigen Reagens aus dem Behälter
13 ausreichend.
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Konkrete Abmessungen, Material und Konstruktion des Behälters 13
werden bei vorgegebenem maximal zulässigen PreX-gasdruck und vorgeschriebenen Druck
des fluidisierenden Stroms unter dem jeweiligen Gitter 10 bzw. 11 näherungsweise
auf rechnerischem Wege ausgehend von der Bedingung der Gewährlei-Gleichgewichts
der stung eines A auf die Gitter 10,11 einwirkenden Stoßkraft und der Sohwerkraft
bestimmt, was den rechnerisch festgelegten Fließzustand eines jeden Gitters 10,
11 im fluidisierenden Strom gewährleisten soll.
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Der endgültige bzw. reale Fließzustand der Gitter 10 und 11 wird
durch Änderung des Preßgasdruckes im Behälter 13 mittels des Druckreglers 14 erreicht.
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Die Arbeit des Wirbelschichtapparates wind nachstehend eines namlich
am Beispiel) in ihm durchgeführten Prozesses;der Oxydation zweiwertigen eisens in
Zinksulfatlösungen erläutert.
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Ein Ausgangsprodukt, das ein flüssiges Reagens, das Zinksulfatlösung
. darstellt, sowie ein festes Reagens enthält,
das Manganerz darsteilt,
das bis auf eine Stückgröße von 1 - 10 mm zerkleinert worden ist, wird von einer
(nicht abgebildeten) Pumpe über den Stutzen 8 zur Zuführung des Ausgangsprodukts
zur Zarge 2 für Grobfraktionen zugeführt.
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Über den Stutzen 9 zur Preßgaszuführung wird von der PreS-gasquelle
mit Hilfe einer (nicht abgebildeten) Pumpe mit Sauerstoff angereicherte Preßluft
zugeführt. Der dabei entstehende Preßluftstrahl, der mit einer hohen Geschwindigkeit
aus dem Stutzen 9 zur Preßgaszuführung aus-strömt, ist längs der vertikalen Längsachse
1 des Wirbelschichtapparates 1 und des Rohres 12 gerichtet. Dieser Strahl nimmt
das Ausgangeprodukt mit und erzeugt hierdurch einen fluidisierenden Strom im Wirbelschichtapparat,
der ein Gemisch der Zinksulfatlösung und des Manganerzes darstellt.
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Da die Querschnittsfläche des Rohres 12 gegenüber der Querschnittsfläche
der Zarge 2 für Grobfraktionen um Dutzende Male geringer ist, ist auoh die Geschwindigkeit
des fluidisierenden Stroms in ihm um denselben Betrag höher und reicht zum AuSschwemmen
der Grobfraktionenteilchen aus, anders gesagt, sie reicht zur Erzeugung einer gleichmäßig
fluidisierten Schicht aus den gröbsten Teilchen im Rohr 12 und zum Austrag aller
Teilchen der feineren Fraktionen aus demselben aus.
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Im Zwischenraum zwisohen dem oberen Ende des Rohres 12 und der unteren
Oberfläche des Gitters 10 bremat der fluidieierende Strom seine Geschwindigkeit
wegen starker Zunahme .¢einer Fortpflanzungsfläche (bisher war sie durch die Querschnittsfläche
des Rohres 12 begrenzt) im Querschmitt des Wirbelschichtapparates sprungartig ab.
Als Folge davon setzt
sich ein Teil der festen Teilchen, die vom
aufateigenden Strom aus dem Rohr 12 ausgeworfen wurden, am Boden 7 ab und wird vom
Preßluftstrahl, der aus dem Stutzen 9 zur Preßgaszuführung austritt, erfaßt und
zurückgeführt.
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Die mittleren und feinen Teilchen des Manganerzes gelangen zusammen
mit dem fluidisierenden Strom durch die Offnungen des Gitters 10 und den an dessen
Umfang vorhandenen Spalt in die Zarge 3 für Mittelfraktionen. In dieser Zarge 3
nimmt die Geschwindigkeit des fluidisierenden Stroms bis auf eine Anfangsfluidisationsgeschwindigkeit
für die Mittelfraktionen ab. Dies gewährleistet die Ausbildung einer gleichmäßig
fluidisierten Schicht aus den Teilchen der Mittelfraktion des Manganerzes. Die Geschwindigkeitsabnahme
des fluidisierenden Stroms erfolgt dank einer Vergrößerung der Querschnittsfläche
in der Höhe der Zarge 3 für Mittelfraktionen, Einbuße der kinetischen Energie der
PreBluSt beim Transport der Teilchen der festen Fraktionen des Manganerzes sowie
wegen des Wideratandes der aus den groben Teilchen bestehenden Wirbelschicht und
des Gitters 10. Infolge einer beträchtlichen Oberfläche des kegeligen Gitters 10
wird eine gleichmäßige Wirbelschicht aus den Teilchen der Mittelfraktionen praktisch
in der gesamten Höhe (bis 90 - 100%) der Zarge 3 für lEittelfraktionen gewährleistet.
Nach dieser Zarge gelangt der Strom aus Luftblasen (hier haben die Preßluftsrahlen
ihre kinetisehe Energie und somit die Geschwindigkeit der Aufwärtsbewegung praktisch
voll eingebüßt), dem flüssigen Reagens und den feinen Teilchen des Manganerzes,
die insgesamt den fluidisierenden Strom für die Feinfraktionen bilden, durch die
Öffnungen
des Gitters 11 und den Spalt an dessen Umfang in die
Zarge 4 für Feinfraktionen.
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Die Vergrößerung der euerschnittsfläohe des Wirbelschicntapparates
in der Höhe der Zarge 4 für Feinfraktionen gewährleistet eine Abnahme der Geschwindigkeit
des fluidisierenden Stroms bis auf V2 d.h. auf die Geschwindigkeit, bei der das
Fluidisieren auch der feinsten Teilchen einsetzt, die gemaß den Erfordernissen des
technologischen Prozesses aus dem Wirbelschichtapparat nicht ausgetragen werden
dürfen.
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Auf dem Versuchswege wurde festgestellt, daß der Durchvorteilhaft
messer des Gitters 11 100% und mehr von dgr Höhe der Zarge 4 sollte. Dabei für Feinfraktionen
betragen gewährleistet das in der Zarge 4 vorgesehene Gitter 11 die Erzeugung einer
gleichmäßig auf fluidisierten Schicht feiner Teilchen ß der gesamten höhe der Zarge
4 für Feinfraktionen. Da die Öffnungen des Gitters 10 relativ zu den Öffnungen des
Gitters 11 in horizontaler Richtung verschoben sind, so teilen sich zufällig entstandene
kleine Luftstrahlen nach dem Gitter 10 beim Auftreffen auf die Zwischenwände zwischen
den Öffnungen des Gitters 11 auf und sind nicht imstande, die Gleichmäßigkeit der
auf und ab wallenden Bewegung der feinen Teilchen in der Zarge 4 störend zu beeinflussen.
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Außerdem aktiviert dieses Aufteilen der Luftstrahlen die Zusammenwirkung
des in den Luftblasen enthaltenen Sauerstoffs mit den übrigen Reagenzien zusätzlich,
was die Oxydationsprozesse fördert, die infolge der Zusammenwirkung des zweiwertigen
Eisens in den Zinksulfatlösungen mit den Manganerzteilchen in der Wirbelsohicht
in jeder Zarge 2, 3, 4 eingeleitet worden sind.
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Naoh der Zarge 4 für Feinfraktionen wird das behandelte Produkt,
das oxydierte Lösungen des Zinksulfats darstellt, aus der Zarge 4 für Feinfraktionen
durch den Stutzen 5 abgeleitet.
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Für einen Fachmann ist ohne weiteres klar, daß auf die Gitter 10
und 11 eine ausstoßende Verdrängungskraft einwirkt, deren Größe dem Strömungswiderstand
der Gitter 10, 11 und der Druckgröße des fluidisierenden Stroms direkt proportional
ist. Im Augenblick des Ausgleichs der ausstoßenden Kraft und der Gewichtskraft des
Gitters 10 bzw. 11 befinden sich das jeweilige Gitter wie auch die Teilchen des
festen Ausgangsreagens im BlieZzustand. Die SrreLohung dieses Zustands wird im Wirbelschichtapparat
mit Hilfe des Druckreglers 14 durch Ausstoßen des flüssigen Reagens aus dem Behälter
13 durch eine Offnung in demselben oder aber durch Einlaufenlassen desselben in
diesen Behälter geuährleistet.
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Während des Betriebs des Wirbelschichtapparate.¢ wird ein Teil der
Teilchen an die Wände der jeweiligen Zargen 2, 3, 4 abgeworfen und setzt sich an
den Oberflächen der Gitter 10 und 11 ab. Jedoch gehen die abgesetzten Teilchen dank
der aupreichend großen Neigung der Zargenwände ohne Verzögerung in die darunterliegenden
Zargen mit der höheren Geschwindigkeit des fluidiserenden Stroms über. Dies gewährleistet
ihre Rückkehr in die jeweilige Wirbelschicht und schließt eine eventuelle Ansammlung
fester Teilchen an den Wänden der Zargen 3 und 4 sowie an der Oberfläche der Gitter
10 und 11 aus. was n wiederum eventuelle Einbuße) der Funktionsfähigkeit des Wirbelsohichtapparates
wegen Abweichung von den vorgeschriebenen
Geschwindigkeigkeiten
des fluidisierenden Stroms in den entsprechenden Querechnitten der Zargen 2, 3,
4 ausschließt. auf Somit werden der gesamten Höhe der Zargen 2, 3, 4 gleLohmiBig
fluidisierte Sohiohten erzeugt, in denen grobe, mittlere und feine Teilchen des
festen Reagens bei kontinuierlicher Zuführung Von Preßluft über den Stutzen 9 im
gleichmäßig fließenden Zustand enthalten sind.
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Dies hat folgende Bedeutung, wie nachstehend der Reihe nach eingehend
erläutert wird: 1) die erfindungsgemäße Ausführung und der Anordnungsplatz der Gitter
im Wirbelsehichtapparat ermöglichen praktisch eine kontinuierliche Zuführung von
Preßgas über den Stutzen 9 und verringern die Verstopfungswahrscheinlichkeit der
Offnungen der Gitter 10, 11 durch die sich an diesen absetzenden Teilchen des festen
Reagens; 2) die ermöglichte kontinuierliche Preßgaszuführung erlaubt eine Vergrößerung
der Quersohnittsfläche bzw. des Querschnittsdurchmessers der Zarge 2 für Grobfraktionen,
was bei begrenzter Höhe des Wirbelsohiohtapparates es ermöglicht, den Kegelwinkel
seiner Wände entsprechendder Bedingung eines freien Heruntergleitens der sich absetzenden
Teilchen des feunten Reagens zu verringern; 3) die erfindungsgemäße Anordnung der
Gitter relativ zu den Wänden des Wirbelschichtapparates und die vorgesehenen Behälter,
die an den entsprechenden Gittern 10, 11 befestigt sind, ermöglichen Selbstentfachung
von Gittervibrationen, was die Verstopfungswahrscheinlichkeit der Öffnungen dieser
Gitter weiter verringert;
4) die verringerte Wahrscheinlichkeit
eines Anwachsens an dsn Wänden der Zargen 2, 3.und 4 und einer Verstopfung der O
nungen der Gitter 10 und 11 durch die Teilchen des festen Reaktionsstoffes verlängert
die Zeitspanne, während der die Teilchen aller Braktionen praktisoh im gesamten
Volumen des Wirbelsehichtapparates im gleichmäßig fluidisierten Zustand gehalten
werden; 5) die Verlängerung der Zeit, während der die Teilchen aller Fraktionen
im gesamten Volumen des Wirbelschichtapparates im gleichmäßig fluidisierten Zustand
gehalten werden, bedeutet eine Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit des Wirbelschichtapparates
bei maximaler Intensität der Zusammenwirkung und maximaler Verwertung aller Reagenzien
im technologiechen Prozeß, der in diesem Apparat abläuft.
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Hergestellte Versuchsmuster des erfindungsgemäßen Wirbelsohichtapparates
sind erfolgreich erprobt worden, wobei die durchgeführten Versuche eine hohe Zuverlässigkeit
bei einer hohen Intensität der Zusammenwirkung der Reagenzien erwiesen haben!die
die Betriebszuverlässigkeit der Apparate mit pneumatischen bzw. mechanischen Mischvorrichtungen
zur Durchführung der entsprechenden technologischen Prozesse durch Durosmischung
des Ausgangsproduktes um ein 10 bis 20faches übersteigt.
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rr Ein gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt Wirbelschichtapparat
ist einfach in der Herstellung und Montage, stabil im Betrieb und bequem in der
Bedienung.