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Vorrichtung und Verfahren zum Zuführen feinverteilter fester Stoffe
in Reaktionsgefäße
In vielen Verfahren ist es zwecksmäßig oder unter Umständen sogar
notwendig, feinverteilte feste Stoffe in Kessel in bestimmten Zeitintervallen oder
auch kontinuierlich mit bestimmten Geschwindigkeiten einzubringen. Beispiele derartiger
Verfahren sind solche, bei denen eine Reaktion zwischen einem feinverteilten festen
Stoff und Gasen oder Dämpfen oder bei denen eine Reaktion zwischen den Komponenten
einer gas- oder dampfförmigen Mischung in Gegenwart eines festen feinverteilten
Katalysators durchgeführt werden soll. Ein Beispiel der erstgenannten Art eines
Verfahrens ist die Herstellung von Leuchtgas durch die Einwirkung von Luft und/oder
Wasserdampf auf ein feinverteiltes kohlenstoffhaltiges Material, wie beispielsweise
Kohle oder Koks. Ein Beispiel für die zweite Art der Verfahren ist die Behandlung
von Dämpfen von Petroleum oder einer Fraktion desselben in Gegenwart eines feinverteilten
Katalysators, der durch Hindurchleiten dieser Dämpfe von unten nach oben in einer
unten näher definierten Weise in die Form eines flüssigkeitsartigen Bettes gebracht
oder von den Dämpfen mitgerissen wird. Eine weitere Art der Verfahren ist die, bei
der Gas in Berührung mit einem feinverteilten festen Adsorptionsmittel gebracht
wird, um hierdurch adsorbierbare Bestandteile zurückzugewinnen. In der britischen
Patentschrift 569 691 ist ein Beispiel für ein derartiges
Verfahren
beschrieben, bei dem Koksofengas durch cin Bett von feinverteilter Aktivkohle geleitet
wird, welche in einem flüssigkeitsartigen Zustand gehalten wird, um hierdurch Äthylen
zurückzugewinnen.
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Bei den vorerwähnten Verfahren erfolgte die Einführung des feinverteilten
festen Stoffes in die Reaktionskessel durch sog. Sternförderer, Gleitschieber und
ähnliche mechanische Vorrichtungell, die nicht immer befriedigend arbeiten, beispielsweise
infolge der Schwierigkeiten in der Erreichung eines befriedigenden Abschlusses gegenüber
dem Austritt von Gas und/oder Dampf aus dem Kessel und infolge der hohen Temperaturen,
unter denen derartige Vorriohtungen gewöhnlich arbeiten. Solche Vorrichtungen erfordern
ständige Überwachung, um auch nur eine einigermaßen befriedigende Arbeit in ihnen
durchführen zu können. Die Erfindung betrifft nunmehr verbesserte und einfache Mittel
zur geregelten Einführung von feinverteilten festen Stoffen in Kessel.
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Die Erfindung schlägt demgemäß ein Verfahren vor, durch das das Einbringen
von feinverteiltem festem Stoff in einen Kessel geregelt werden kann, und zwar indem
eine Säule des feinverteiltei festen Stoffes in Berührung mit der Oberfläche des
Bettes des feinverteilten festen Stoffes gehalten wird. Diese Säule erstreckt sich
von der Oberfläche des Bettes nach oben und wird unten durch ein das Bett tragendes
Abschlußmittel begrenzt. Dieses Bett des feinverteilten festen Stoffes ist derart
ausgebildet, daß, wenn der Gasstrom durch den Kessel mit geeigneter Geschwindigkeit
geleitet wird, der feinverteilte feste Stoff durch seine Schwerkraft aus dem Bett
in den Kessel gelangt. Wenn ein Fließen dieses Stoffes erforderlich ist, wird ein
Gasstrom durch das Bett des feinverteilten festen Stoffes geleitet.
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Die folgende Erläuterung der Eigenschaften eines Bettes von feinverteiltem
festem Material, durch das mit zunehmender Geschwindigkeit cin Gas geleitet wird,
erfolgt zu dem Zweck, um die Begriffe genau klarzustellen und um die Erfindung besser
verständlich zu machen.
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Wenn ein aufwärts gerichteter Gasstrom durch ein Bett von feinverteilten
festen Stoffen geleitet wird, wächst zunächst der Druckabfall durch das Bett mit
der Erhöhung der Gasgeschwindigkeit. lii diesem Bereich der Gasgesch indigkeit übt
das Gas eine nach oben gerichtete Reibungskraft auf die Teilchen aus. Diese nach
oben gerichtete Reibungskraft, welche auf die Teilchen ausgeiibt wird, ist an allen
Punkten proportional dem Druckabfall des Gases bei seinem Durchgang durch das Bett
der feinverteilten Stoffe. Demgemäß wird die Kraft, welche von jedem Teilchen auf
die näclls. unteren Teilchen ausgeübt wird. pl-og ressiv verringert, und die von
den Teilchen aufeinander ausgeübte Reibungskraft wird ebenfalls progressiv verringert.
Es ist also einleuchtend, daß der Schüttwinkel des Bettes der feinverteilten Teilchen
hierdurch ebenfalls progressiv verringert wird. \Icnn die Gasgeschwindigkeit weiter
erhöht wird. wird ein erster kritischer Wert erreicht, bei dem das ganze Gewicht
der Teilchen durch das Gas aufgehoben wird infolge der vergröí3erten Reibungskraft,
welche von dem C;as auf die Teilchen ausgeübt wird. Hieraus ergibt sich also, daß
der Schüttwinkel der Teilchen in diesem ersten kritischen Wert auf o verringert
wird.
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Wenn die Geschwindigkeit des Gases über diesen ersten kritischen
Wert erhöht wird, ordnen sich die Teilchen in dem Bett so. daß der Zwischenraum
zwischen den Teilchen in dem Bett vergrößert wird, obwohl sie miteinander in Berührung
bleiben Diese Erscheinung hat die Wirkung, daß die Reibungskraft des Gases auf die
Teilchen konstant bleibt und gleich dem Gewicht der Teilchen ist.
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Der Druckabfall in dem Bett bleil)t auch imwesentlichen konstant
bei allen Gasgeschwindigkeiten oberhalb dieses ersten kritischen Wertes, jedoch
unterhalb des dritten kritischen Wertes, der noch erläutert werden wird. In diesem
ersten Punkt nimmt das Bett der feinverteilten festen Stoffe einige der Eigenschafte1l
einer Flüssigkeit an. So können beispielsweise diese Teilchen ähnlich einer Flüssigkeit
gegossen werden, und das Bett läßt sich leicht umrühren.
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Wenn die Gasgeschwindigkeit noch weiter erhöht wird, wird ein zweiter
kritischer Wert erreicht, wo der Zwischenraum zwischen den Teilchen in dem Bett
bis zu einem solchen Wert vergrößert wird, dill die einzelnen Teilchen von dem Gas
im wesentlichten eingehüllt werden und das Bett das Aussehen einer siedenden hzxv.
wallenden Flüssigkeit annimmt.
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Wenn die Gasgeschwi1ldigkeit über diesen zweiten kritischen Wert
hinaus erhöht wird, dehnt sich das Bett noch weiter aus, his ei,, dritter kritischer
Wert erreicht wird, bei dem die (1asgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der freien
Fa lgeschwindigkeit der Teilchen in dem verwendeten Gas ist und oberhalb dessen
die Teilchen als ein von dem Gas mitgerissener Strom aus dem Ge£jl.' hinausgetragen
werden.
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Wenn im folgenden die (lasgeschwilldigkeit zwischen o und dem oben
definierten ersten kritischen Wert liegt, wird das Bett als ein nicht flüssigkeitsähnliches
Bett bezeichnet werden. Wenn bei einem Bett von feinvertciltem Material die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases großer ist als dei erste kritische Wert. jedoch kleiner als der dritte
kritische Wert, so wird es als ein flüssigkeitsartiges Bett bezeichnet werden. Wenn
die C,asgeschs indigkeit durch das Bett größer ist als der erste kritische Wert,
jedoch geringer als der zxvtite kritische Wert, so wird das Bett als ein ausgedehntes
Bett bezeichnet werden. Ein Bett von feinverteiltem Material, durch das ein Gas
hindurchstr(imt, dessen Strömungsgeschwindigkeit größer ist als der zweite kritische
Wert, jedoch geringer als der dritte kritische Wert, wird als in siedender bzw.
fallender Bewegung befindlich bezeichnet. und wenn die Geschwindigkeit des Gases
über diesen dritten kritischen Wert hinaus noch gesteigert wird, so daß die Teilchen
aus dem Kessel mit dem Gas mitgerissell
werden, werden die Teilchen
als mitgerissener Strom bezeichnet werden.
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Unter der Bezeichnung Gas werden alle Stoffe verstanden, die für
gewöhnlich in gasförmigem Zustand vorliegen und auch solche, welche unter den Arbeitsbedingungen
des Verfahrens gemäß der Erfindung als Dampf vorliegen. Das Bett des feinverteilten
festen Stoffes uiitl die Säule des feinverteilten festen Stoffes, welche sich von
dem Bett aufwärts erstreckt, kann innerhalb des Kessels vorgesehen sein, in den
der Stoff eingegeben wird.
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Die Säule kann aber auch in einer Seitenkammer des Kessels vorgesehen
sein, die mit dem Kessel in Verbindung steht oder in einer besonderen Kammer. vorausgesetzt,
daß Mittel vorgesehen sind, beispielsweise eine Fallrinne, durch die der feinverteilte
feste Stoff in den zu füllenden Kessel gelangen kann.
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Der feinverteilte feste Stoff kann in Form einer sich aufwärts erstreckenden
Säule, beispielsweise mit Hilfe eines beiderseits offenen Rohres, gehalten werden,
das im wesentlichen senkrecht oder unter einem Winkel zu der Oberfläche des Bettes
des feinverteilten festen Stoffes angeordnet ist. Das untere offene Ende des Rohres
wird oberhalb einer festen Fläche angeordnet, auf der das Bett des feinverteilten
festen Stoffes ruhen kann und in einem derartigen Abstand davon, daß bei einem bestimmten
feinverteilten festen Stoff ein von dieser Fläche getragenes Bett von Teilchen sich
in Berührung befindet mit der Säule von Teilchen, die in dem Rohr eingeschlossen
sind.
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Die Fläche, welche das Bett der feinverteilte festen Stoffe trägt,
kann eine im wesentlichen waagerechte Fläche sein, über deren Kanten der feinverteilte
feste Stoff fließt, wenn Gas durch das Bett geleitet wird. Es kann aber auch eine
Fläche sein, bei der ein Wehr vorgesehen ist, über das der feinverteilte feste Stoff
hinübergeht, wenn Gas durch das Bett geleitet wird. Die Fläche, welche das Bett
des feinverteilten festen Stoffes trägt, ist durchlässig für das Gas, welches durch
das Bett geleitet werden soll.
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Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform ist das Rohr durch die Decke
einer Seitenkammer geführt, welche mit dem Kessel in Verbindung steht, und der Boden
dieser Seitenkammer trägt das Bett der feinverteilten festen Stoffe. Diese Seitenkammer
kann mit dem Hauptgefäß eine einheitliche Struktur bilden oder kann die Form eines
gesonderten Gefäßes haben, das durch eine geeignete Leitung, z. B. eine Rutsche,
mit dem Hauptgefäß in Verbindung steht.
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Es ist zweckmäßig, den Gas- oder Dampfstrom dem Bett des feinverteilten
festen Stoffes durch eine oder mehrere Schichten von granuliertem Material zu leiten,
das eine derartige Teilchengröße hat, daß es durch den Gas- oder Dampfstrom nicht
wesentlich gestört wird. Das granulierte Material kann Metallschrott oder Teilchen
von feuerfestem Material enthalten; oder der Gas- oder Dampfstrom kann durch eine
durchlöcherte oder poröse Platte geleitet werden, die zweckmäßig auch die Fläche
bildet, die das Bett des feinverteilten festen Stoffes trägt, wenn sich dieser in
Ruhe befindet.
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Wenn das Gas durch das Bett mit einer solchen Geschwindigkeit geleitet
wird, daß die Teilchen ein noch nicht flüssigkeitsähnliches Bett bilden, ist die
Strömungsgeschwindigkeit der feinverteilten festen Stoffe aus dem Bett in den Kessel
eine Funktion der sich ergebenden linearen Geschwindigkeit des Gases durch das Bett.
Wenn die Gasgeschwindigkeit bis auf den Punkt erhöht wird, wo die Teilchen eine
flüssigkeitsähnliche Bewegung annehmen, hat eine weitere Vergrößerung der Gasgeschwindigkeit
keinen wesentlichen Einfluß auf die Strömungsgeschwindigkeit des feinverteilten
festen Stoffes von dem Bett. Selbst wenn eine lebhaft auf- und abwirbelnde Bewegung
bzw. ein in wallender Bewegung befindliches Bett erzeugt wird, bleiben diese Verhältnisse
die gleichen, jedoch nur so lange, als kein mitgerissener Strom entsteht.
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Bei einer gegebenen Apparatur und einem gegebenen feinverteilten festen
Stoff ist es daher möglich, eine allmählich sich steigernde Strömungsgeschwindigkeit
des feinverteilten festen Stoffes aus dem Bett in den Kessel zu erzielen, indem
die Gasgeschwindigkeit durch das Bett allmählich bis zu dem Punkt gesteigert wird,
wo eine flüssigkeitsähnliche Bewegung entsteht. Wenn von vornherein mit einer Gasgeschwindigkeit
gearbeitet wird, die ausreichend ist, um eine flüssigkeitsähnliche Bewegung zu erzeugen,
findet sofort ein Übertritt des feinverteilten festen Stoffes aus dem Bett in den
Kessel statt, was abhängig ist von den Eigenschaften der angewandten Apparatur,
dem jeweilig vorliegenden festen Stoff und dem zur Verwendung gelangenden Gas. Naturgemäß
liegt bei jeder Apparatur, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
zur Anwendung gelangt und für einen gegebenen feinverteilten festen Stoff eine minimale
Gasgeschwindigkeit vor, bei der das Überfließen des feinverteilten festen Stoffes
aus dem Bett in den Kessel beginnt. Diese Geschwindigkeit kann leicht durch einfache
Vorversuche bestimmt werden, und durch Versuche kann die Apparatur auch kalibriert
werden, um Oberlaufgeschwindigkeiten des feinverteilten festen Stoffes zu ergeben,
die Funktionen der Gasgeschwindigkeit sind.
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In den folgenden Beispielen sind einige Ausführungsformen der Erfindung
schematisch dargestellt.
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In den Fig. t bis 4 stellt I ein Gefäß dar, in das der feinverteilte
feste Stoff eingeleitet werden soll. 2 ist ein Bett von feinverteiltem festem Stoff,
auf dessen Oberfläche 3 eine Säule 4 des feinverteilten festen Stoffes ruht, die
ihre Form durch das Rohr 5 erhält. Das Bett des feinverteilten festen Stoffes 2
wird von der Oberfläche einer porösen Platte 6 getragen, durch die erforderlichenfalls
ein Strom eines geeigneten Gases oder Dampfes durch das Rohr 7 geleitet werden kann.
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8 stellt die Hauptmasse des feinverteilten festen Stoffes in dem Kessel
I dar. Wenn bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kein feinverteilter fester
Stoff
aus dem Bett 2 in den Kessel 1 gefördert wird, ruht das Material unter einem Schüttwinkel
O.
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Wenn das feinverteilte feste Material in den Kessel 1 gefördert werden
soll, wird ein Gas von dem Rohr 7 durch die poröse Platte 6 geschickt, und zwar
mit einer geeigneten Geschwindigkeit, wodurch der Schüttwinkel kleiner wird.
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Die Oberfläche des Bettes des feinverteilten Materials hat die Tendenz,
sich von dem offenen Ende des Rohres 5 abzulösen, und einiges Material fällt aus
dem Rohr 5 auf das Bett 2, tritt über die Kante der porösen Platte 6 über und fällt
dabei in die Hauptmenge 8 des feinverteilten festen Stoffes.
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Wenn der Gas- oder Dampfstrom unterbrochen wird, kommt das Bett des
feinverteilten Materials auf der porösen Platte 6 wieder zur Ruhe und der feinverteilte
feste Stoff fließt aus dem Rohr 5 nach, bis die Oberfläche des Bettes das Rohrende
erreicht hat, wobei der Nachfluß aus dem Rohr 5 zur Ruhe kommt. Hierbei hört naturgemäß
auch das Überströmen des feinverteilten Materials über die Kante der porösen Platte
auf, wenn der Schüttwinkel den Wert 9 erreicht hat. Die in Fig. 2 dargestellte Apparatur
entspricht im wesentlichen der in Verbindung mit der Fig. 1 beschriebenen mit der
Abänderung, daß seitlich der porösen Platte 6 ein Wehr g vorgesehen ist, über das
sich der feinverteilte feste Stoff ergießt, wenn Gas durch das Bett 2 geleitet wird.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die mit einem
Wehr 9 versehene poröse Platte 6 vollkommen innerhalb des Kessels 1 angeordnet,
und das Ende des Rohres 5 liegt im wesentlichen in der gleichen Höhe wie die obere
Kante des Wehres 9. Wenn bei dieser Ausführungsform ein Gasstrom durch das Bett
des feinverteilten festen Stoffes 2 mit einer genügenden Geschwindigkeit geleitet
wird, um den feinverteilten festen Stoff in einen flüssigkeitsartigen Zustand zu
versetzen, gelangt die Oberfläche des Bettes über die Wehrebene, und der feinverteilte
feste Stoff ergießt sich über das Wehr in die Hauptmasse 8.
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Wenn das offene Ende des Rohres in einer Ebene endet, die oberhalb
der Kante des Wehres liegt, läßt sich eine Regelung der Übertrittsgeschwindigkeit
des feinverteilten festen Stoffes durch Anwendung einer Gasgeschwindigkeit regeln,
bei der der feinverteilte feste Stoff noch nicht in den flüssigkeitsartigen Zustand
versetzt worden ist.
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Fig. 4 zeigt schematisch eine Apparatur, die besonders dafür geeignet
ist, feinverteilte feste Stoffe in einem Gefäß zu mischen, bevor sie mit der Hauptmasse
8 des feinverteilten festen Stoffes vereinigt werden.
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Die Teile I bis 9 haben die gleiche Bedeutung wie bei den bisher
beschriebenen Ausführungsformen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist jedoch
ein Rohr 10 vorgesehen, welches das Bett des feinverteilten festen Stoffes 2 mit
dem Kessel 1 verbindet und in diesem in einer Höhe 11 endet, in der die Hauptmasse
8 des feinverteilten festen Stoffes gehalten wird, die gewünschtenfalls im flüssigkeitsartigen
Zustand gehalten wird. Durch ein weiteres Rohr 1 2 kann ein zweiter feinverteilter
fester Stoff in den Kessel I nach Wunsch eingegeben werden. Bei dieser Ausführungsform
wird, gleichgültig ob ein Gasstrom durch das Bett 2 geleitet wird oder nicht, feinverteilter
fester Stoff der Hauptmasse 8 durch das Rohr lo zugeleitet, wenn die Ebene dieser
Hauptmasse unterhalb des Punktes 11 sinkt, was beispielsweise der Fall ist, wenn
feinverteilter fester Stoff aus einem tiefer liegenden Teil des Kessels I entnommen
wird. Wenn darüber hinaus ein Teil des feinverteilten festen Stoffes, der durch
das Rohr 5 zugeleitet wird, gemischt werden soll mit feinverteiltem festem Stoff,
der durch das Rohr 1 2 zugeleitet wird wird ein Gas-oder Dampfstrom mit einer geeigneten
(eschwindigkeit durch das Rohr 7 durch das feinverteilte Material 2 geleitet, wodurch
der feinverteilte feste Stoff 2, wie oben beschrieben, über das Wehr 9 tritt und
sich mit dem durch das Rohr 12 zugeleiteten feinverteilten festen StolT mischt.
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Fig. 5 zeigt in schematischem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform
einer Apparatur, mit der das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren durchgeführt
werden kann. Mit 13 sind die Wandungen eines Kessels bezeichnet, der mit dem feinverteilten
festen Stoff beschickt werden soll, dessen Hauptmasse sich bei 8 befindet. An dem
KeSsel ist eine zusätzliche Wandung 14 vorgesehen, mit der die Wandungen 13 des
Kessels eine Leitung 15 bilden, durch die hindurch das feinverteilte Material dem
Kessel durch die Öffnung 16 und den in der Wandung 13 des Kessels vorgesehenen Schlitz
17 zugeführt werden kann. In dem Boden des Schlitzes 17 befindet sich eine Ausnehmung
18, in der sich Stücke von feuerfestem Material befinden, dessen Teilchengröße nach
oben hin abnimmt. Der Ausnehmung 18 wird Gas durch eine Rohrleitung 19 zugeleitet.
Wenn mit dieser Apparatur gearbeitet wird, wird die Leitung 15 mit einem Vorrat
an feinverteiltem festem Stoff verbunden, so daß die Leitung vollkommen damit gefüllt
ist. Dieser feinverteilte feste Stoff fließt so lange in den Kessel durch die Öffnung
16, bis er die Höhe 20 erreicht hat. Danach fließt durch die Öffnung 16 kein Stoff
mehr nach, wenn nicht die Ebene 20 abgesenkt wird, beispielsweise durch Verbrauch
des feinverteilten festen Stoffes oder durch Entnahme desselben aus dem unteren
Teil des Kessels. Darüber hinaus strömt der feinverteilte feste Stoff in den Schlitz
17 und nimmt in diesem eine Lage ein, die durch die geneigte Schüttlinie 21 gekennzeichnet
ist. Gewöhnlich fließt kein feinverteilter fester Stoff über die Kante 22 des Schlitzes
17, und zwar sind die Abmessungen des Schlitzes so gewählt, daß, wenn kein Gas durch
das Bett geleitet wird, auch kein feinverteilter fester Stoff über die Kante 22
des Schlitzes fließt. Wenn weitere geregelte Mengen des feinverteilten festen Stoffes
dem Kessel zugeleitet werden sollen, wird ein Gas mit einer geeigneten Geschwindigkeit
durch die Rohrleitung 19 der Ausnehmung 18 zugeführt. Als Folge hiervon ergießt
sich der feinverteilte feste Stoff über die Kante 22 des Schlitzes 17
und
fällt in den Kessel. Wenn der Gasstrom unterbrochen wird, füllt sich der feinverteilte
feste Stoff wieder bis zu der in der Zeichnung dargestellten Lage auf, wobei die
Schüttlinie 21 entsteht und der Nachstrom von feinverteiltem festem Stoff in den
Kessel unterbrochen wird.