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Verfahren zur Durchführung von Gas-Feststoffreaktionen
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im Wirbelbett Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes
Verfahren zur Durchführung von Gas-Feststoffreaktionen im Wirbelbett sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Es ist hinreichend bekannt, daß sich einige Reaktionen zwischen Gasen
und Feststoffen besonders vorteilhaft in Wirbelschichten durchführen lassen. Beispiele
für solche Reaktionen sind die katalytische Oxidation von SO2 zu S03 bei der Schwefelsäureherstellung,
die Crackprozesse in der Petrochemie, Redoxprozesse zur Einstellung eines einheitlichen
Oxidationszustandes feinteiliger Feststoffe, Trocknungsprozesse, die Herstellung
von Aktivkohle, Trocknung feinteiliger Feststoffe.
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Bei Gas-Feststoff-Wirbelschichtreaktoren wird die Feststoffschüttung
von dem Fluidisationsgas (im weiteren mit Gas bezeichnet) durchströmt.
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Forderungen, die an eine Reaktion im Wirbelbett gestellt werden, sind
ein hoher Kontakt zwischen Gas und Feststoff, somit eine effektive Ausnutzung des
Gases, eine enge Gasverweilzeitverteilung, geringer Feststoffabrieb und ein geringer
Werkstoffverschleiß. Bei Wirbelbetten mit kontinuierlichem Feststoffaustrag wird
auch ein enges Verweilzeitspektrum der Partikel gefordert.
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Im Idealfall soll jedes Feststoffteil die gleiche Behandlung erfahren.
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Bei herkömmlichen Wirbelschichtreaktoren durchströmt nur ein Teil
des Gases die sogenannte Suspensionsphase der Wirbelschicht (vgl. Fig. 1) während
der andere, häufig erheblich größere Teil, die Wirbelschicht in Form von feststofffreien
Blasen passiert.
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Diese Blasen, die vornehmlich bei vergleichsweise groben Feststoffen
(Partikeldurchmesser> ca. 0,5 mm), bei höheren Gasgeschwindigkeiten und bei großen
Wirbelschichthöhen sehr groß werden können, bewirken u.a. folgende nachteilige Reaktoreigenschaften:
Das Gas in den Blasen passiert die Wirbelschicht mit anderer Geschwindigkeit als
das Gas in der Suspensionsphase und führt zu einer Verbreiterung der Gasverweilzeitverteilung.
Das Gas in den Blasen hat einen vergleichsweise geringen Kontakt mit dem Feststoff.
Dadurch wird der Gasumsatz vermindert. Durch Blasen wird an der Oberfläche der Wirbelschicht
Feststoff ausgeschleudert, der nicht im gewünschten Sinne an der Reaktion in der
Wirbelschicht teilnimmt und nach-
geschaltete Gas-Feststoff-Trenneinrichtungen
belastet.
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Als Folge der durch die Blasen bewirkten heftigen Feststoffbewegung
in der Wirbelschicht entstehen unerwünschter Feststoffabrieb, Werkstoffverschleiß
und erhebliche mechanische Beanspruchung der Halterung des Wirbel schichtbehälters,
angeschlossener Rohrleitungen und der Gebäude.
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Die genannten Nachteile treten vorwiegend bei vergleichsweise großen
Blasen auf, während kleine Blasen oft erwünscht sind, um durch mäßige Feststoffbewegung
in der Wirbelschicht einen guten Wärmeübergang von Wirbelschicht zu Behälterwand
zu erzielen.
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Bei Wirbelschichtreaktoren, die bei hohen Temperaturen arbeiten (
> ca. 7000C) ist es wegen der geringen Festigkeit bekannter Werkstoffe und wegen
dem Fehlen geeigneter Wärmeträger unmöglich oder unwirtschaftlich starre Einbauten
(z.B. Rohrbündel) in die Wirbelschicht einzubauen um z.B. Wärme zu- bzw. abzuführen.
In diesen Fällen ist man darauf angewiesen die Wärme über die Wand des die Wirbelschicht
umgebenden Behälters zu- bzw abzuführen, was bei vielen Wirbelschichtprozessen (z.B.
Aktivierung von Koks) hohe Wirbelschichthöhen erforderlich macht. Dies kann z.B.
bei kontinuierlichen Reaktoren bei einzuhaltendem Verhältnis von Feststoffdurchsatz
zu Gasdurchsatz zu unzulässig hohen Feststoffverweilzeiten im Reaktor führen.
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Die Größe der beschriebenen Wirbelschicht kann durch geeignete Einrichtungen
(z.B. Rohrbündel), ruhende Füllkörperschichten und bewegliche Füllkörper (im weiteren
mit Körper bezeichnet) vermindert werden.
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Festeingebaute Einrichtungen sind aus den obengenannten Gründen häufig
nicht einsetzbar.
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Aus "D.L. Kleairns, Fluidization Technology, Me Graw Hill, N.Y. 1975,
S. 95 ff" ist bekannt runde bewegliche Körper mit einem Volumenanteil von bis zu
20 %, bezogen auf das Wirbelschichtvolumen, der Wirbelschicht zuzumischen. Bei einer
Zugabe von ca. 10 % wird dabei schon die optimale Verminderung der Blasengröße erzielt.
Eine merkliche Verweilzeitverkürzung des Feststoffes wird dadurch aber nicht erreicht.
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Die Problematik soll im folgenden am Beispiel der Aktivkohle, stellvertretend
für andere geeignete Feststoffe dargestellt werden.
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Ein indirekt beheiztes Wirbelbett ist gut geeignet für die Umsetzung
von C mit H2O zu H2 + CO. Hält man verschiedene Bedingungen ein, dann kann man im
Wirbelbett Aktivkohle herstellen.
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Hierbei ist es von besonderer Wichtigkeit, daß das eingesetzte Rohprodukt
in seiner Gesamtheit die gleiche Behandlung erfährt. Um ein einheitliches qualitativ
hochwertiges Produkt erhalten zu können, ist es erforderlich, daß die Einzelteilchen
eine definierte Verweilzeit aufweisen, in der Praxis aber ein enges definiertes
Verweilzeitspektrum aufweisen.
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Als Wirbelgas dient bei der Aktivkohle-Herstellung der für die Reaktion
nötige Wasserdampf. Um einen möglichst
großen Produktumsatz zu erreichen,
muß der Wirbelbettreaktor bestimmte Abmessungen aufweisen. Diese werden mitbestimmt
durch die Tatsache, daß die Wirbeabetober flächen indirekt beheizt werden und eine
Wärme zufuhr zu den Einzelteilchen gewährleistet sein muß.
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Bei einer Erweiterung eines Wirbelbettes vergrößert sich das Fassungsvolumen
und somit das im Wirbelbett befindliche Material naturgemäß schneller als die beheizbare
Oberfläche. Dadurch bedingt wird auch die Verweilzeit der Einzelteilchen größer,
auch wird eine deutliche Verbreiterung des Verweilzeitspektrums beobachtet.
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Die Folge ist ein erhöhter Abrieb und ein uneinheitliches Material.
Auch sind bei Wirbelbetten von 3 bis 5 m Höhe Gasblasen von bis zu 50 cm Durchmesser
festzustellen.
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Diese größtenteils aus Wasserdampf bestehenden Blasen wandern durch
das Fließbett, ohne daß sie mit den Kohleteilchen in Berührung gekommen sind. FUr
die Reaktion
muß also eine Uberschußmenge an Wasserdampf eingesetzt werden, den man als Verlustdampf
bezeichnet.
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Weiterhin bewirken diese Blasen, daß größere Mengen an Kohleteilchen
aus der Bettoberfläche herausgeschleudert werden. Außerdem finden im Innern des
Bettes starke Bewegungen statt, die sowohl die Kohleteilchen stark beanspruchen
als auch unterschiedliche Verweilzeiten bedingen.
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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung für die Durchführung von Gas-Feststoffreaktionen im Wirbelbett zur Verfügung
zu stellen, die die geschilderten Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen
nicht aufweisen. Insbesondere soll die Verweilzeit der Feststoffe entscheidend verringert
werden.
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Oberraschenderweise wurde nun ein Verfahren zur Durchführung von Gas-Feststoffreaktion
im Wirbelbett gefundenm welches die gestellten Aufgaben in hervorragender Weise
erfüllt. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß bewegliche Verdrängungskörper in Mengen
von 20 bis 60 Vol-% dem Wirbelbett zugegeben werden. Besonders gute Ergebnisse werden
erzielt, wenn die Verdrängungskörper in Mengen von 25 bis 50 Vol-%, bezogen auf
das Wirbelbettvolumen, zugegeben werden.
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Durch die Zugabe der Verdrängungskörper in den erfindungsgemäßen Mengen
ist es möglich, die Nachteile zu großer Blasen zu vermeiden und gleichzeitig die
Feststoffverweilzeit im Wirbelschichtreaktor unter Beibehaltung der Wirbelschichthöhe
frei einzustellen und wesentlich zu reduzieren.
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Insbesondere kann die Verweilzeitverteilung des Gases eingeengt und
durch Verminderung der Blasengröße der Gasaustausch zwischen Blase'und Suspension
erhöht werden. Hierdurch ergibt sich ein verbesserter Gas-Feststoff-Kontakt und
dadurch ein gesteigerter Umsatz.
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Die Verdrängungskörper sind bevorzugt kugelförmig, obwohl auch andere
geometrische Formel denkbar sind.
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Ihre zu wählende Größe hängt von verschiedenen Parametern ab, die
für die jeweilige Verfahrensdurchführung einzustellen oder vorgegeben sind. Dies
sind z.B. die Gasgeschwindigkeit, der Durchmesser der Festkörper,die Dichte der
Festkörper, der Durchmesser des Wirbelbettes, die Wirbelschichtdichte.
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Im allgemeinen sollten die Verdrängungskörper einen Durchmesser von
20 bis 300 mm, bevorzugt 30 bis 150 mm, aufweisen.
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In Fig. 1 ist ein herkömmlicher kontinuierlicher Wirbelbettreaktor
(4) dargestellt, Fig. 2 zeigt schematisch einen Wirbelbettreaktor mit Verdrängungskörpern
(7) Der Feststoff (2) wird von oben durch den Wirbelschichtbehälter (4) gegen den
Gasstrom (1) geführt. Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahren empfiehlt es
sich, eine zweite Einrichtung (6) zum Zurückhalten der Verdrängungskörper (7) einzubauen.
Die Blasen'(3) werden deutlich durch die Anwesenheit der Verdrängungskörper verkleinert.
Dem Wirbelbettreaktor ist eine Abscheidevorrichtung (5) angeschlossen.
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Wenn die Dichte der Verdrängungskörper 50 bis 200 % der Dichte des
Wirbelbettes aufweist, schwimmen sie praktisch im Bett. Randberührungen oder ein
Anstoßen der Verdrängungskörper untereinander werden kaum beobachtet.
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Auch werden die Verdrängungskörper selbst keinen großen Belastungen
ausgesetzt. Sie können deshalb - je nach Anwendungsbereich - aus den verschiedensten
Marialien hergestellt werden. Sie können gegebenenfalls hohle Körper aus Metall,
Kunststoffen, Schäumen oder Holz sein.
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Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch der
blasenbedingte Feststoffauswurf an der Wirbelbettoberfläche erheblich vermindert.
So konnte in einer Wirbelschichtanlage mit einer Wirbelschichthöhe von ca. 2 m bei
gleicher Gasgeschwindigkeit die Feststoffauswurfhöhe von ca. 3 m durch Zugabe von
Körpern auf weniger als 1 m reduziert werden. Hierdurch wird die Verweilzeitverteilung
des Feststoffs in der Wirbelschicht eingeengt und der dem Reaktor nachgeschaltete
Feststoffabscheider entlastet. Außerdem kann die Bauhöhe des Wirbelbettbehälters
reduziert werden.
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Wegen der geringeren Feststoffbewegung in der Wirbelschicht werden
auch der Feststoffabrieb und der Werkstoffverschleiß vermindert. Da die Körper nur
eine geringe Relativbewegung gegenüber dem umgebenden Wirbelschichtfeststoff ausführen
und erfahrungsgemäß die Relativgeschwindigkeit zwischen Körpern und Behälterwand
klein ist, werden die Körper nur gering mechanisch belastet und die durch die Körper
bedingte mechanische Beanspruchung der Feststoffpartikel sowie der Behälterwand
ist unbedeutend. Wegen der geringen mechanischen
Beanspruchung
der Körper ist auch bei höheren Temperaturen die Auswahl bezüglich der Festigkeit
geeigneter Werkstoffe weniger problematisch als bei festen Einbauten.
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Durch geeignete Einrichtungen können die Körper während des Betriebs
des Reaktors der Wirbelschicht zugefügt bzw. entnommen werden. Dadurch ist sowohl
der Austausch der Körper als auch das Anpassen der Anzahl der Körper an die Betriebsbedingungen
des Reaktors möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell anwendbar bei allen
Gas-Feststoffreaktionen im Wirbelbett.
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Genannt seien oxidative, reduktive, katalytische und/oder thermische
Gas-Feststoffreaktionen.
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Es wird im folgenden die Anwendung des Verfahrens für die Herstellung
von Aktivkohle erläutert. Die Verweilzeit der Kohle wird stark vermindert, da das
durch die Kugeln verdrängte Volumen nicht mehr für die Kohle zur Verfügung steht.
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Weiterhin bewirken die Verdrängungskörper eine Zerstörung der entstehenden
Blasen. Das Wirbelbett wird gleichmäßiger und die starke Beanspruchung der gewirbelten
Kohle erheblich geringer. Es entsteht ein homogeneres Wirbelbett ohne große Gasblasen.
Ein weiterer Vorteil ist eine gleichmäßigere Wirbelbettoberfläche, die nicht durch
die ohne Kugeln vorhandenen eruptiven Gasblasen mit Kohle in ihrer Höhe schwankt.
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Stellt man gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Aktivkohle im Wirbelbett
her, hat dies gegenüber einer Herstellung im normalen Wirbelbett folgende Vorteile:
Weniger H2O-Verbrauch, weniger Abrieb, dadurch bei der Anwendung der Kohle Verkürzung
der Filtrationszeit, ein gleich mäßigeres Produkt, da kürzere Verweilzeiten, höhere
Ausbeuten.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Anwendung des Verfahrens
für die Herstellung von Aktivkohle und Aktivkohle, die nach diesem Verfahren erhältlich
ist.
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Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert.
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Beispiel 1 Beispiel 1 zeigt die Wirkung der Verdrängungskörper auf
die Blasengröße und das Auswurfverhalten.
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Feststoff: Braunkohlenkoks Partikelgröße 0,3 mm < d < 3 mm Dichte.
# 600 kg/m3 Wirbelgas: Luft bei Umgebungsbedingungen Luftgeschwindigkeit im Leerrohr
v = 1 m/s Wirbelbett: Betthöhe (undurchströmt) H = 2 m Bettdurchmesser D = 600 mm
Füllkörper: Hohlkugeln scheinbare Dichte k = 290 kg/m3 Kugeldurchmesser Dn = 75
mm Die Ergebnisse sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.
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Es konnten Kugeln mit einer scheinbaren Dichte von+k = 290 kg/m3 in
Wirbel schichten mit Dichten von 200 kg/m3 bis 450 kg/m3 eingesetzt werden.
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Tabelle 1 Auswurfverhalten der Wirbelschicht und Blasengröße in Abhängigkeit
von der Anzahl der Kugeln
| Anzahl der Blasengröße Auswurfverhalten der Wirbel- |
| Kugeln schicht |
| 0 C400 mm zahlreiche Auswürfe, vor- |
| wiegende Auswurfhöhe ca. 3 m |
| 100 zahlreiche Auswürfe, vor- |
| wiegende Auswurfhöhe ca. 3 m |
| abnehmend |
| 400 wenige Auswürfe mit Höhen |
| von 3 m Zunahme der Aus- |
| würte mit geringerer Höhe |
| 1000 C150 mm keine Auswürfe mit Höhen von |
| 3 m . Fast alle Auswürfe mit |
| Höhen < 80 cm |
Beispiel 2 Abhängigkeit der Feststoffverweilzeit und der Schüttdichte der Kohle
in der Wirbelschicht von dem Volumenanteil der Verdrängungskörper
Tabelle
2 Volumenanteil der Schüttdichte der Verhältnis der Fest Verdrängungskörper Kohle
stoffverweil zeiten t2/t1 kg/m3 -0 305 1 10 300 0,89 20 275 0,72 30 220 0,50 40
150 0,30 t2 = Feststoffverweilzeit mit Verdrängungskörpern tl = Feststoffverweilzeit
ohne Verdrängungskörper Verfahrensparameter wie beim vorangegangenen Beispiel /Blasengröße
= f (Kugelanzahl)]
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