DE3424841C2 - Wirbelschichtapparat mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Feststoffströmung in der Wirbelschicht - Google Patents

Wirbelschichtapparat mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Feststoffströmung in der Wirbelschicht

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtapparat gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Wirbelschichtapparate können vorzugsweise in der chemischen Industrie, in der Landwirtschaft und in der Nahrungsmittelindustrie angewendet werden, und zwar besonders dort, wo Lösungen, Schmelzen oder Suspensionen granuliergetrocknet werden müssen und das erzeugte Granulat eine geringe definierte Restfeuchte besitzen soll.
Zur Trocknung und gleichzeitigen Granulierung von Lösungen, Schmelzen oder Suspensionen sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Flüssigkeit über geeignete Verteiler in die Wirbelschicht eingebracht wird, sich auf der Oberfläche der Feststoffteilchen anlagert und diese zum Wachsen bringt, während durch die Wärme des Trocknungsmediums das Lösungsmittel verdampft wird und mit dem Trocknungsmedium den Wirbelschichtapparat verläßt, DE-OS 29 01 723.
Wenn die Feststoffteilchen eine bestimmte Zielgröße erreicht haben, verlassen sie über einen zentral angeordneten klassierenden Abzug den Apparat.
Voraussetzung für die ordnungsgemäße Funktionsweise derartiger Apparate ist eine hohe Turbulenz und damit eine große Teilchengeschwindigkeit in der Wirbelschicht, wodurch alle Teilchen einen großen Impuls besitzen und die Flüssigkeit gleichmäßig auf die gesamte zur Verfügung stehende Feststoffoberfläche verteilt wird.
Nachteilig wirkt sich bei den bekannten Lösungen aus, daß die erforderlichen hohen Teilchengeschwindigkeiten erst bei relativ hohen Gasgeschwindigkeiten zu erzielen sind und somit eine bestimmte Mindestgasbelastung unumgänglich wird. Außerdem kommt es insbesondere bei der Eindüsung von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität und Klebekraft speziell bei kleinen Feststoffteilchendurchmessern häufig zur Agglomeration ganzer Teilchenkollektive. Auf diese Art entstehen in der Wirbelschicht Klumpen, die ständig weiter wachsen und sich nicht mehr auflösen. Dies führt dann zum Verkleben der gesamten Wirbelschicht und zum Havariezustand der Anlage.
Aus diesem Grunde werden Lösungen entwickelt, DE-OS 20 02 454, CH-PS 515 472, bei denen durch bewegte Einbauten in der Wirbelschicht, wie z. B. Rührvorrichtungen gemäß der GB-PS 13 91 505, die entstandenen Agglomerate kontinuierlich zerstört werden sollen.
Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß bei der Zerstörung dieser Agglomerate auch kleine Teilchen zerstört werden und außerdem ein erhöhter Abrieb entsteht, der die der Wirbelschicht nachgeschalteten Entstaubungsanlagen zusätzlich belastet. Außerdem sind eine Reihe von Produkten bekannt, bei denen sich einmal gebildete Klumpen durch bewegte Einbauten in der Wirbelschicht nicht wieder zerstören lassen.
Unter DD 119 304 wird eine Lösung beschrieben, mit Hilfe derer versucht wird, durch Erzeugung einer gerichteten Strömung in der Wirbelschicht, hervorgerufen durch die Gestaltung des Anströmbodens, Agglomerationseffekte zu verhindern. Die Feststoffteilchen gelangen bei dieser Lösung im Zentrum des Apparates an der Düse vorbei von oben nach unten, treffen auf den klassierenden Abzug und werden dann am Boden der Schicht in radialer Richtung zum äußeren Rand der Wirbelschicht transportiert, wo sie an der Wand des Apparates wieder durch die dort herrschende hohe Luftgeschwindigkeit nach oben gefördert werden.
Diese Lösung eignet sich besonders vorteilhaft für die Granulationstrocknung thermolabiler Produkte, da die feuchtesten Teilchen immer an die wärmste Stelle des Apparates gelangen.
Diese Vorrichtung hat jedoch zwei erhebliche Nachteile:
Bei hohen Schichthöhen, wie sie zur Granuliertrocknung klebriger Produkte benötigt werden, kommt es nicht mehr zur Ausbildung des genannten Strömungseffektes, und dadurch, daß die Teilchen unmittelbar, nachdem sie an der Düse vorbei sind und dort mit Flüssigkeit benetzt wurden, auf den klassierenden Abzug gelangen, kommt es vor, daß einzelne frisch benetzte Feststoffteilchen in den klassierenden Abzug gelangen. Dies führt insbesondere bei solchen Produkten zu erheblichen Schäden, bei denen eine gleichmäßige und geringe Restfeuchte der Produkte gefordert wird.
Die Aufgabe der Erfindung, besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Feststoffströmung in Wirbelschichten mit klassierendem Abzug zu schaffen, die es ermöglicht, klebrige Lösungen, Schmelzen oder Suspensionen mit hoher Viskosität, kontinuierlich und mit gleichmäßiger, geringer Restfeuchte zu trocknen und gleichzeitig zu granulieren.
Es ist eine gerichtete Strömung in der Wirbelschicht zu schaffen, durch die die Feststoffteilchen im Zentrum des Apparates von unten nach oben bewegt werden. An der Oberfläche der Wirbelschicht sollen die Feststoffteilchen eine radiale Strömungsrichtung erhalten, und an den Wänden des Apparates sollen die Teilchen nach unten strömen, von wo aus die wieder in radialer Richtung direkt über dem Anströmboden zum Zentrum des Apparates direkt über den klassierenden Abzug gelangen sollen. Durch die mechanische Erzeugung einer gerichteten Feststoffströmung soll dieses auch bei Gasgeschwindigkeiten in der Nähe des Wirbelpunktes und darunter möglich sein. Durch entsprechende Gestaltung des Anströmbodens und einer Rührvorrichtung sollen diese Effekte erzielt werden, um somit gleichzeitig das Trocknungsmedium besser auszunutzen und damit Wärmeenergie einzusparen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.
Erfindungsgemäß ist in einem zylindrischen oder leicht konischen Wirbelschichtapparat, dessen Anströmboden in der Mitte mit einem klassierenden Abzug ausgerichtet ist, eine zentral angeordnete, drehbare, frei und unmittelbar über dem klassierenden Abzug endende Welle angeordnet, die mit speziell ausgebildeten Rührarmen versehen ist.
Direkt an der Welle, unmittelbar über dem Anströmboden, sind ein oder mehrere unter Rührarme und in einen Abstand darüber ein oder mehrere obere Rührarme angebracht. Dazwischen sind auf der Welle selbst ein oder mehrere schräggestellte oder spiralförmig ausgebildete Bleche angebracht, deren jeweils untere Kante der oberen Kante vorauseilt, wodurch im unmittelbaren Bereich der Welle, also im Zentrum des Apparates, eine Feststoffströmung von unten nach oben erreicht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Wirbelschichtapparat ist für jeden Rührarm an der Welle in radialer Richtung ein Befestigungsstab angebracht, der bis zur zylindrischen Begrenzungswand der Wirbelschicht reicht. An diesem Befestigungsstab sind ein oder mehrere, gekrümmt als Viertelkreis ausgebildete Bleche der Höhe H vertikal so angebracht, daß die Krümmung zum Kreismitelpunkt zeigt und daß der Krümmungsmittelpunkt auf dem Befestigungsstab liegt. Die gewölbten Bleche sind dabei an einem Ende direkt am Befestigungsstab so angebracht, daß bei Drehung der Welle das unbefestigte Ende des Viertelkreises dem befestigten Ende nacheilt. Dadurch wird eine Kraft auf die Feststoffteilchen der Wirbelschicht ausgeübt, die unmittelbar über dem Anströmboden die Feststoffteilchen auf spiralförmigen Bahnen zum Zentrum des Apparates hindriften läßt. Am Ende der unteren Befestigungsstäbe sind senkrechte Stäbe angeordnet, an denen unter einem Winkel von maximal 45° schräggestellte Leitbleche so befestigt sind, daß bei Drehung der Welle ihre obere Kante in Richtung der Winkelgeschwindigkeit ihrer unteren Kante vorauseilt. Durch diese Anordnung wird eine Kraft in vertikaler Richtung nach unten auf die Feststoffteilchen der Wirbelschicht ausgeübt, wodurch diese an der zylindrischen Apparatewand auf spiralförmigen Bahnen nach unten driften.
Im Gegensatz zu den unteren Rührarmen sind die oberen Rührarme so gestaltet, daß der entgegengesetzte Effekt eintritt. Dabei sind an einem oberen Befestigungsstab die gewölbten als Viertelkreis ausgebildeten Bleche der Höhe H vertikal so angebracht, daß ihr Krümmungsmittelpunkt auf dem Befestigungsstab liegt und ihre Krümmung zum Apparatemittelpunkt hinzeigt und daß sie mit einer Seite direkt am Befestigungsstab so angebracht sind, daß beim Drehen der Welle ihr freies Ende dem befestigten Ende vorauseilt. Dadurch wird am oberen Ende der Wirbelschicht eine radiale Kraft nach außen auf die Feststoffteilchen ausgeübt. An den Enden der Befestigungsstäbe zur Apparatewand hin ist je ein senkrecht nach unten stehender Stab angebracht, der ein oder mehrere unter einem Winkel von maximal 45° schrägstehende Bleche trägt, die analog zu den Blechen an den senkrechten Stäben der unteren Rührarme angebracht sind, wodurch eine vertikale Kraft von oben nach unten auf die Feststoffteilchen in der Wirbelschicht ausgeübt wird.
Zwischen den oberen und den unteren Rührarmen mündet seitlich in den Apparat ein Flüssigkeitszuführungsrohr ein, das in einer nach unten gerichteten Düse endet.
Zweckmäßig ist weiterhin, daß die drehbare Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und eine oder mehrere Düsen direkt an der Unterkante der oberen Rührarme angebracht und durch eine Leitung mit der Hohlwelle verbunden sind. Dabei bilden sowohl die an der Welle angebrachten Leitbleche als auch die an den senkrechten Stäben befestigten Leitbleche eine geschlossene Spirale.
Es ist weiterhin ein zweckmäßiger Bestandteil der Erfindung, daß der Abstand zwischen der Unterkante des oberen Rührarmes und der Oberkante des unteren Rührarmes größer als der 15 fache maximale Teilchendurchmesser dK ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im Unteranspruch 4 beschrieben.
Danach ist der Anströmboden des Wirbelschichtapparates so gestaltet, daß sein Öffnungsverhältnis in Abhängigkeit von den erzeugten Granulatdurchmessern von einem maximalen äußeren zu einem maximalen inneren Öffnungsverhältnis zunimmt, wobei das Verhältnis von maximalem zu minimalem Öffnungsverhältnis als Funktion des Granulatdurchmessers
festgelegt ist, wobei dK der maximale Teilchendurchmesser in der Dimension m ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert so, daß durch die Anordnung der an der zentralen Welle angebrachten Rührarme sowie von Leitblechen auf die Feststoffteilchen in der Wirbelschicht solche Kräfte ausgeübt werden, daß sich eine Feststoffströmung ergibt, die einen Weg der Feststoffteilchen am Rande der Wirbelschicht nach unten, danach unmittelbar über den Anströmboden in radialer Richtung direkt zum klassierenden Abzug hin und im Zentrum der Wirbelschicht wieder von unten nach oben bis zur Oberfläche der Schicht und dort wieder in radialer Richtung nach außen ergeben. Durch diesen kontinuierlichen Feststoffkreislauf und die Anordnung der Düsen in der Mitte zwischen aufsteigender und abfallender Feststoffströmung wird der überraschende Effekt erzielt, daß bei hoher Ausnutzung des Trocknungspotentials des Gases trotzdem gewährleistet wird, daß nur trockene Teilchen in den klassierenden Abzug gelangen, da alle Feststoffteilchen, die aus dem Apparat austreten, erst in radialer Richtung unmittelbar über dem Anströmboden von außen nach innen geführt und somit scharf nachgetrocknet werden.
Dieser Effekt wird durch die Gestaltung des Anströmbodens mit sich nach innen vergrößerndem Öffnungsverhältnis noch wesentlich verbessert. Die Anordnung der Düsen in der Grenzzone zwischen aufsteigenden und herabfallenden Feststoffteilchen hat eine optimale Verteilung der Flüssigkeit auf alle Feststoffteilchen, und zwar proportional zu ihrer Oberfläche zur Folge, wodurch Havariefälle infolge Verkleben der Schicht weitestgehend ausgeschlossen werden.
Durch die Anordnung von oberen und unteren Rührern sowie der Leitbleche kommt es weiterhin zu dem überraschenden Effekt, daß die Wirbelschicht unter Granulationsbedingungen auch in der Nähe und sogar unterhalb des Wirbelpunktes stabil betrieben werden kann, was mit allen herkömmlichen Vorrichtungen nicht der Fall ist.
Dieser Effekt tritt auch bei beliebigen Schichthöhen der Wirbelschicht auf.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in der
Fig. 1 Prinzipschema der Vorrichtung
Fig. 2 Schnitt A-A der Fig. 1
Fig. 3 Schnitt B-B der Fig. 1
Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Wirbelschichtapparat 1 mit einem Durchmesser von 600 mm, dessen Anströmboden 2 in der Mitte mit einem klassierenden Abzug 3 mit einem Durchmesser von 100 mm versehen ist. Der klassierende Abzug 3 wird nach unten durch ein Feststoffabförderorgan 5 begrenzt, wobei zwischen Feststoffabförderorgan 5 und oberen Ende des klassierenden Abzuges 3 ein Gaszuführungsrohr 4 angeordnet ist.
Genau in der Apparateachse befindet sich eine drehbare Welle 6, die unmittelbar über der Öffnung des klassierenden Abzuges 3 frei endet. An dieser Welle 6 sind unmittelbar über dem Anströmboden 2 vier untere Rührarme 7 befestigt. In einem Abstand a von 600 mm sind vier obere Rührarme 8 um 45° gegen die unteren Rührarme 7 versetzt an der drehbaren Welle 6 befestigt. Auf der Welle 6 selbst sind im Abstand von je 200 mm vom unteren bzw. oberen Rührarm 7, 8 je vier schräggestellte Bleche 9 im Winkel von 45° so angebracht, daß die jeweils untere Kante des Bleches 9 in Drehrichtung der Welle 6 der oberen Kante vorauseilt. Die unteren Rührarme 7 sind so ausgebildet, daß an der zentralen Welle 6 vier Befestigungsstäbe 10 in radialer Richtung um je 90° gegeneinander versetzt angebracht sind und bis zum äußeren Rand des Apparates 1 reichen. An diesen Befestigungsstäben 10 sind je zwei viertelkreisgekrümmt ausgebildete, vertikal angeordnete Bleche 11 mit der Höhe H von 80 mm angebracht.
Der Krümmungsradius der Bleche 11 beträgt 80 mm (innen) und 150 mm (außen), und die Bleche 11 sind so angebracht, daß der Krümmungsmittelpunkt auf der Achse des Befestigungsstabes 10 liegt. Die Krümmung zeigt zur Apparatachse hin. Das eine Ende der vertikal angeordneten Bleche 11 ist direkt an dem Befestigungsstab 10 so befestigt, daß sein freies Ende dem befestigten Ende in Drehrichtung der Welle 6 nachläuft und daß am Ende des Befestigungsstabes 10 jeweils ein senkrechter Stab 12 angebracht ist, an dem maximal 45° schräggestellte Leitbleche 13 so befestigt sind, daß ihre obere Kante in Richtung der Winkelgeschwindigkeit der unteren Kante der Drehung der Welle 6 vorauseilt, während im Gegensatz die oberen Rührarme 8 so ausgebildet sind, daß sie im Schnitt B-B ein um 45° versetztes Spiegelbild der unteren Rührarme 7 ergeben, wobei an den Befestigungsstäben 14 viertelkreisgekrümmt ausgebildete, vertikal angeordnete Bleche 15 der Höhe H und nach unten vertikal angeordnete Stäbe 16 angebracht sind, die ein oder mehrere unter einem Winkel von maximal 45° schräggestellte Bleche 17 tragen.
Unmittelbar unter den oberen Rührarmen 7 führt seitlich ein Flüssigkeitszuführungsrohr 19 in den Wirbelschichtapparat 1, das in einer nach unten gerichteten Düse 18 endet. Diese Düse 18 ist so angebracht, daß sich ihre Öffnung 150 mm vor der zentralen Achse des Apparates befindet.
Das Öffnungsverhältnis des Anströmbodens 2 ist in zwei Stufen unterteilt. Die äußere Kreisringfläche hat dabei einen Außendurchmesser von 600 mm und einen Innendurchmesser von 300 mm. Das Öffnungsverhältnis dieser Kreisringfläche beträgt bei einem Bohrungsdurchmesser von 2 mm ϕ=0,06. Das Öffnungsverhältnis des inneren Kreisringes mit einem Außendurchmesser von 300 mm und einem Innendurchmesser von 100 mm beträgt bei einem Bohrungsdurchmesser von 1,5 mm ϕ=0,11.
Es sollen Feststoffgranulate aus einer Suspension mit einem Wassergehalt von 18% und einem Zieldurchmesser von 5 mm erzeugt werden. Der Feststoff in der Suspension ist Eiweiß.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
 1 Wirbelschichtapparat
 2 Anströmboden
 3 klassierender Abzug
 4 Gaszuführungsrohr
 5 Feststoffabförderungen
 6 drehbare Welle
 7 unterer Rührarm
 8 oberer Rührarm
 9 schräggestellte oder spiralförmig ausgebildete Bleche
10 Befestigungsstab
11 Viertelkreisgekrümmt ausgebildete Bleche des unteren Rührarms
12 senkrechter Stab
13 schräggestellte Leitbleche
14 Befestigungsstab
15 viertelkreisgekrümmt ausgebildete Bleche des oberen Rührarms
16 senkrechter Stab
17 schräggestellte Leitbleche
18 Düse
19 Flüssigkeitszuführungsrohr
H′, H Höhe der Bleche
a Abstand unterer und oberer Rührarm
dKm maximaler Teilchendurchmesser
ϕ Öffnungsverhältnis

Claims (4)

1. Wirbelschichtapparat mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer gerichteten Feststoffströmung in der Wirbelschicht, wobei im zylindrischen oder leicht konischen Wirbelschichtapparat, dessen Anströmboden zentral einen klassierenden Abzug mit Gaszuführungsrohr und Feststoffabförderorgan besitzt, in der Apparatachse eine drehbare Welle angeordnet ist, die unmittelbar über der Öffnung des zentralen Abzugsrohres frei endet und mit Rührarmen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar über dem Anströmboden (2) untere Rührarme (7) und im Abstand (a) weitere Rührarme (8) an der Welle (6) angebracht und so ausgebildet sind, daß für jeden Rührarm (7) an der Welle (6) in radialer Richtung ein Befestigungsstab (10) angebracht ist, an dessen Ende ein oder mehrere, gekrümmt, einen Viertelkreis bildende Bleche (11) der Höhe (H) vertikal angeordnet sind, deren Krümmungsmittelpunkt auf den Befestigungsstäben (10) liegt, der Krümmungsradius kleiner als der halbe Apparatedurchmesser und die Krümmung zum Apparatemittelpunkt gerichtet ist und bei Drehung der Welle (6) das freie Ende dem befestigten Ende nachläuft sowie jeweils ein senkrechter Stab (12) angebracht ist, an dem ein oder mehrere unter einem Winkel von maximal 45° schräggestellte Leitbleche (13) so befestigt sind, daß ihre obere Kante in Richtung der Winkelgeschwindigkeit der unteren Kante bei Drehung der Welle (6) vorauseilt, während im Gegensatz dazu die oberen Rührarme (8) um 45° versetzt, spiegelbildlich zu den unteren Rührarmen, angeordnet sind.
2. Wirbelschichtapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Unterkante des oberen Rührarmes (8) und der Oberkante des unteren Rührarmes (7) größer als der 15fache maximale Teilchendurchmesser dK ist.
3. Wirbelschichtapparat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (6) zwischen den Rührarmen (7) und (8) ein oder mehrere schräggestellte oder spiralförmig ausgebildete Bleche (9), deren untere Kante in Drehrichtung der Welle (6) der oberen Kante vorauseilt, angebracht sind.
4. Wirbelschichtapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Anströmboden (2) das Öffnungsverhältnis (= Verhältnis der Summe der Fläche der Gasdurchtrittsöffnungen zur Fläche des Wirbelschichtbodens) von außen nach innen zunimmt, wobei das Verhältnis von maximalem zu minimalem Öffnungsverhältnis als Funktion des Granulatdurchmessers festgelegt ist, in der dK den maximalen Teilchendurchmesser (in m) bedeutet.
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