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Vorrichtung zur Behandlung von pulverförmigen Stoffen und Flüssigkeiten
und/oder Gasen
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Behandlung von zerkleinerten festen Stofen mit Flüssigkeiten oder Gasen. Mit Hilfe
dieser Vorrichtung können die mannigfaltig. sten Operationen in kontinuierlichen
oder nichtkontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden, -ie z. B. die Extraktion
von in pflanzlichem AIa-Material enthaltenen Stoffen mit Hilfe von flüssigen und/oder
gasförmigen Lösungsmitteln; die Hydrausierung uiid Enthydratisierung, Oxydation.
Hydrierung und Trocknung.
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Als beispiel für die Anwendungsmöglichkeiten der Ereindung seien
angeführt : Das kontinuierliche und planmäßige Auswaschen des Papierbreies, die
er aus dem Kocher kommt, und das Auswaschen eines pulverförmigen oder entfaserten
Guts; das Auswaschen erfolgt z. B. bei diesem isie bein Papierbrei ohne Schädigung
der Faser, die kontinuierliche Extraktion von Tannin aus Holz, die kontinuierliche
Hydrolyse von Zellulose zur Gewinnung von Pentosen und Hexosen, die Extraktion ölhaltiger
Produkte durch Lösungsmittel aus Körnern und anderen Stoffen.
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Die Vorrichtung gemäß Erfindung besteht aus wenigstens einem mit
Etagen versehenen Reaktionsturm, durch welchen das Niaterial von Etage zu Etage
nach unten wandert. Neuartig ist hierbei, daß der Turm aus mehreren übereinanderliegenden,
durch
elastische Verbindungselemente miteinander vereinigten Kammern besteht, wobei jede
Kammer mit zumindest einem Vibratorenpaar verbunden ist und von diesem in Schwingung
versetzt wird. Die Schwingungen werden mit Hilfe von in einer Richtung wirkenden
Vibratoren, z. B. mechanischer Vibratoren mit exzentrischem Rotor, erzeugt. Die
Vibratoren sind paarweise angeordnet, und zwar sind je zwei Vibratoren eines Paares
außen an zwei gegenüberliegenden Wänden des Reaktionsturmes angebracht und durch
mechanische Mittel zusammengekuppelt. Statt dessen können auch Paare von synchronisierten,
elektromagnetischen Vibratoren verwendet sein.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß die so hervorgerufenen Schwingungen
das Material äußerst regelmäßig zum Fließen bringen, so daß für die aufeinanderfolgenden
Etagen vorteilhaft horizontal angebrachte Platten verwendet werden können. Auf diesen
breitet sich das dauernd in Bewegung gehaltene Material aus und fließt wie eine
Flüssigkeit.
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Jede Reibung unterbleibt, und das von Etage zu Etage herabfallende
Material hat das Bestreben, sich gleichmäßig auszubreiten, wodurch es über die horizontale
Platte fließt.
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Infolge der Durchwirbelung wird das Material äußerst gut von Flüssigkeiten
und Gasen durchdrungen, wodurch Reaktionen erleichtert werden.
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Die Behandlungsflüssigkeit, welche über das ausgebreitete Material
fließt, wird durch die Schwingungen desselben zerstäubt. Durch die Schwingung gen
wird also eine ständige und vielfache Berührung zwischen dem zu behandelnden Material,
Katalysator und Lösungsmittel hervorgerufen. Da außerdem die Strömungsgeschwindigkeit
der Behandlungsflüssigkeit verlangsamt ist, wird eine maximale Einwirkung der Reaktionspartuer
aufeinander erreicht.
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Für Reaktionen, die unter hohem Druck verlaufen, ist es vorteilhaft,
den Reaktionsturm in kreisförmigem Querschnitt auszuführen, während für Reaktionen
bei Atmosphärendruck ein rechteckiger Querschnitt gewählt werden kann. Die Wahl
der Abmessungen richtet sich vornehmlich nach der Reaktionsdauer und der Durchsatzmenge.
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Der Reaktionsturm besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Kammern,
welche durch elastische Verbindungen miteinander vereinigt sind. Auf zwei Seiten
des Turmes sind je zwei Stangen vorgesehen, welche für jede Kammer eigene Lager
mit Dämpfungselementen aufweisen.
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Diese Anordnung gestattet es, jede Kammer mit verschiedener Intensität
vibrieren zu lassen, ohne daß eine gegenseitige Resonanzwirkung auftritt.
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Auf diese Weise kann man die Durchsatzgeschwindigkeit des Materials
variieren und in bestimmten Zonen des Reaktionsturmes eine besonders innige Vermischung
der Reaktionspartner herbeiführen.
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An geeigneten Stellen angeordnete Rohrleitungen gestatten es, einen
Rücklauf einzuschalten oder während des Arbeitsganges von bestimmten Stellen Proben
zu entnehmen.
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An mehreren Stellen des Reaktionsturmes können auch Abtropfvorrichtungen
in Gestalt von durchlässigen Förderbändern vorgesehen sein, um die Flüssigkeit zu
sammeln. Sie bestehen aus einem endlosen Band, unter welchem eine zu einem Entnahmestutzen
führende Ablaufrinne angeordnet ist.
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Ein derartiges Förderband kann an Stelle einer Etagenplatte eingebaut
sein.
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In der Zeichnung wird eine beispielsweise Ausführungsform eines Reaktion
sturmes gezeigt, wie er für die verschiedenen, oben angeführten Verwendungszwecke
zum Arbeiten unter Atmosphärendruck geeignet ist. Der Turm ist besonders geeignet
für die Hydrolyse von Holz durch konzentrierte Säuren.
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Abb. I ist eine schematische Gesamtansicht des Turmes; Abb.2 zeigt
einen Teil des Turmes mit der Lagerung einer Kammer in Vorderansicht in vergrößertem
Maßstabe; Abb. 3 ist eine Teilansicht im Schnitt längs der Linie III-III in Abb.
2; Abb. 4 zeigt als Teilansicht ein Förderband in einem Längsschnitt; Abb. 5 zeigt
einen entsprechenden Querschnitt; Abb. 6 ist die Vorderansicht des in Art einer
Schublade ausgebildeten Förderbandes.
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Der Reaktionsturm setzt sich aus vier Kammern II bis 14 zusammen.
Die Kammern haben rechteckigen Querschnitt und sind von lotrecht stehenden Platten
aus plastischem, säurebeständigem Material umgrenzt. Die Ränder der Platten sind
umgebogen und durch eine Reihe von Schraubenbolzen an den Verbindungsstellen I5,
I6 (Fig. 2) miteinander verbunden. Die aufeinanderfolgenden Kammern des Reaktionsturmes
sind voneinander getrennt durch elastische Verbindungen in Form von Gummiwulsten
(Fig. 3). An jeder Seite de Reaktionsturmes befinden sich zwei Stangen I9, 20, auf
denen die Kammern unter Zwischenschaltung von dämpfenden Puffern 2I gelagert sind.
Jede Kammer wird durch einen in einer Richtung wirkenden Vibrator 22 in Schwingung
versetzt, der durch einen Elektromotor 23 angetrieben wird. Der Motor wird von den
Stangen I9, 20 getragen. Jeder Vibrator 22 ist mit einem zweiten Vibrator gekuppelt,
welcher an der entgegengesetzten Seite des Turmes angeordnet ist.
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Die Einzelheiten der Konstruktion sind in Abb. 2 und 3 gezeigt.
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Als Vibrator ist ein Typ verwendet, bei dem zwei exzentrisch angeordnete
Massen in entgegengesetztem Drehsinn in Rotation versetzt werden.
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Ein solcher Vibrator 22 ist auf einer Traverse 25 montiert. Die Traverse
25 ist durch zwei Schienen 26, 27 an den Verbindungsstellen I5, I6 mit der entsprechenden
Kammer durch Schraubenbolzen verbunden. An den Stangen 19, 20 sind Tragstücke 28,
29 vorgesehen, die unter Zwischenschaltung von Schwingungsdämpfern 21 (z. B. aus
Gummi) die Traverse 25 tragen. Für jede Kammer ist auf einem Querträger 30 zwischen
den Stangen I9, 20 ein Elektromotor 23 angeordnet, welcher über einen
Treibriemen
3I die Antriebsscheibe 32 des Vibrators antreibt. Die Antriebswelle des Vibrators
ist zu einer Kupplung 33 hin verlängert, an welche sich eine vom Lager 35 geführte
Transmissionswelle 34 anschließt. Die Transmissionswelle 34 durchquert den Turm
durch die abgedichtete oeffnung 36 und ist auf der anderen Seite des Turmes in gleicher
Weise mit einem gleichartigen Vibrator gekuppelt.
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Die Vibrationsintensität kann für jedes Vibratorpaar, z. B. durch
Veränderung der Exzentrizität der rotierenden Massen, geregelt werden. Diese Ein
stellung muß zwar für jedes Vibratorenpaar gleich sein, kann jedoch von Kammer zu
Kammer verschieden sein.
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Jede Kammer ist mit einer gewissen Anzahl von Etagen 4I, 42, 43...
zu zu zu ausgerüstet. Die Etagen werden vorzugsweise von horizontal angeordneten
Platten gebildet, die aus demselben säurefesten Material wie die Wände der Kammer
bestehen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind dieEtagenplatten so angeordnet,
daß abwechselnd einmal am Rand und einmal in der Mitte der Kammer ein Durchlaß zur
nächsten Etage frei bleibt. An der obersten Kammer ist ein Fülltrichter 45 angeordnet,
der z. B. pneumatisch beschickt werden kann. Da sich die Vibration der obersten
Kammer auf den Fülltrichter 45 überträgt, ergießt sich das Material, dessen Durchgang
mittels des Schiebers 46 reguliert ist, in dieselbe. Durch den Rohranschluß 47 kann
das in den Turm eingeführte Material mit durch die Rohrleitung 48 zugeführter Säure
besprengt werden, die gegebenenfalls - mit einem Rücklauf aus der Rohrleitung 49
vermischt ist.
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Wie aus Abb. I zu ersehen, ist in der Kammer II die untersteEtagenplatte
durch zweiAbtropfförderbänder 50, 51 mitAblaufrinne52, 53 ersetzt, welche das flüssige
Reaktionsgemisch zu einem Entnahmestutzen 54 führen. Von hier kann es mittels einer
Pumpe 55 in die Rücklaufleitung4g oder zu anderer Verwendung in die Rohrleitung
56 gefördertwerden.
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Die Förderbänder sind vorteilhaft als ein für sich geschlossenes
Aggregat ausgebildet, das wie eine Schublade herausgenommen werden kann.
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Eine derartige Aus-führungsform ist in den Abb. 4 bis 6 gezeigt.
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Das von den Winkeleisen 8I, 82 geführte Aggregat enthält zwei Seitenteile
83, welche mit dem die Ablaufrinne bildenden Boden 85 und den Querstreben 86 verbunden
sind. Die beiden Seitenteile 83 bilden außerdem die Lager für die beiden Rollen
87, 88, über welche das endlose Band 89 läuft. Das Band ist aus einem durchlässigen
Gewebe hergestellt.
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Im Innern des Förderbandaggregats kann ein Berieselungsrohr 91 vorgesehen
sein, um das Band von innen mit einer reinigenden Flüssigkeit, z. B. mit Salzsäure,
zu bespülen.
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Die äußere Rolle88 kann vorteilhaft in zwei gleitenden Platten 92
gelagert sein, die nach außen in je einer mit Gewinde versehenen Stange enden. Das
Stangenende ist durch eine Öffnung der Außenwand 94 hindurchgeführt. Mittels einer
Schraubenmutter 95 kann so die Spannung des endlosen Bandes von außen reguliert
werden.
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Ein solches, schubladenartig herausnehmbares Aggregat kann an Stelle
der Etagenplatten in jeder Höhe des Turmes eingesetzt werden.
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Am Fuß des Turmes ist ein anderes Abtropfförderband 60 vorgesehen.
Es ersetzt die unterste Etagenplatte der unteren Kammer 14. Die dazugehörige Ablaufplatte
6I führt zur Pumpe 62, welche das angesammelte flüssige Reaktionsgut in die Rohrleitung
63 fördert. Von hier aus kann es entweder als Rücklauf in die Rohrleitung 64 oder
zur Weiterverwendung in die Rohrleitung 65 geleitet werden. Im unteren Teil der
Kammer 14 ist weiter ein Kanal 66 vorgesehen, der z. B. zu einem Trockenzylinder
67 führt. Durch diesen wird das Material mittels eines auf der Welle 69 angeordneten
Umschaufelwerkes bewegt und so mit einem durch den Rohrstutzen 70 eingeführten trocknenden
Gas in innige Berührung gebracht.
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Das gekörnte, geschälte, zerhackte oder sonstwie zerkleinerte Material,
welches durch den Fülltrichter 45 eingeschüttet wird, wird durch die Vibration der
Apparatur in einem Zustand ständiger Bewegung gehalten. Hierdurch wird der Reibungswiderstand
herabgesetzt, und das Material fließt wie eine Flüssigkeit gleichmäßig über die
aufeinanderfolgenden Etagen. Durch die Vielzahl der Etagen erhält man beim jeweiligen
Herunterfallen des Materials von einer Etage zur nächsten eine weitere gute Vermischung;
das Material verteilt sich gut über die nächste Etage und fällt regelmäßig auf die
folgende hinunter.
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Bei der erfindungsgemäßen Reaktion wird das Holz von der durch die
Leitung 47 eingeführten konzentrierten Säure, die von oben nach unten durch die
Kammer wandert, außerordentlich gut benetzt. Nach der bekannten Reaktion der Holzhydrolyse
wird so die Zellulose in Zucker aufgespalten. Die Abtropfförderbänder 50, 51 gestatten
es, die Pentosen zu entnehmen.
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Außerdem wird ein regulierter Gasstrom durch den Turm geschickt,
um die Konzentration der Säure während deren Durchlauf gleichzuhalten oder zu erhöhen.
Es handelt sich in diesem Fall um Gas, welches durch den Rohrstutzen 70 eingeführt
wird und sich mit der vom Reaktionsgut in den Trockenzylinder 67 mitgeführten verdünnten
Säure sättigt. Das gesättigte Gas dringt dann im Gegenstrom durch den Kanal 66 in
den Turm ein. Das Gas kann durch eine Entnahmeöffnung 7I wieder abgeleitet werden
und z. B. nach Entwässerung in einer Kolonne dem Rohrstutzen 70 zugeführt werden
und den Kreislauf von neuem beginnen.
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An Stelle des Trockenzylinders 67 kann auch ein weiterer gleichartiger
Reaktionsturm angeschlossen werden.
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Die verschiedenen Rohrabzweigungen zur Entnahme oder Einführung der
Flüssigkeiten und Gase sind als elastische Anschlüsse ausgeführt.
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Die bei der Lagerung der einzelnen Turmteile verwendeten Dämpfer
bewirken, daß die auf die Stangen I9, 20 übertragenen Schwingungen geringfügig sind.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Anlage die
verschiedensten Reaktionen mit einer Regelmäßigkeit und einem Wirkungsgrade durchgeführt
werden können, wie sie bisher nicht erreicht wurden. Vorteile, die auf die in einer
Richtung wirkende,- gleichmäßige Vibration, die für jede Kammer besonders eingestellt
werden kann, zurückzuführen sind.
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Als Beispiel für den Wirkungsgrad der Anlage sei angeführt, daß in
dem beschriebenen Fall aus einer Tonne Holz 600 kg Zucker und 50 bis Ioo kg Pentosen
gewonnen werden.
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Vorteilhafterweise können die einzelnen Etagenböden auch durch solche
Abtropfförderbandeinrichtungen ersetzt werden, die es gestatten, das flüssige Reaktionsgemisch
insgesamt oder teilweise zu entnehmen oder als Rücklauf aufzugeben oder auch das
feste Material insgesamt oder teilweise zu entnehmen, um es einer weiteren Reaktion
zu entziehen, also z. B. bei der Holzverzuckerung den gebildeten Zucker vor einem
nicht hydrolytischen Abbau zu bewahren, Es ist bereits bekannt, zwecks Steigerung
der Arbeitsleistung eines Apparates zur Durchführung von Reaktionen, den Behälter
in mechanische Schwingungen zu versetzen bzw. die Behandlung des Reaktionsgutes
auf schwingenden Flächen, auf denen das Gut weitergeleitet wird, durchzuführen.
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Diese Arbeitsweise wurde jedoch bisher vorwiegend zur Trennung von
Stoffen angewendet.
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Die bekannten Vorrichtungen sind derart konstruiert, daß eine Gesamtheit
von Einzelelementen oder das dieselbe tragende Gehäuse bzw. Gerüst in Schwingungen
versetzt wird. Diese Methode ergibt ein gemeinsames Schwingen. Die Wirksamkeit der
Vibratoren wird-hierbei dadurch beschränkt, daß sie die ganze Anlage in Bewegung
setzen müssen, wodurch zwangläufig die Frequenz der Schwingungen begrenzt ist. Diese
Anordnung führt leicht zum Zusammenballen der Stoffe.
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In Anwendung der Erfindung wurde festgestellt, daß es. bedeutend
vorteilhafter ist, wenn man zur Behandlung von festen Stoffen mit durchfließenden
Flüssigkeiten und/oder Gasen die einzelnen übereinanderliegenden, durch elastische
Verbindungselemente miteinander vereinigten Kammern eines Turmes mit je einem eigenen
Vibratorsystem versieht und diese so unabhängig voneinander, gegebenenfalls in verschiedener
Weise, in Schwingungen versetzt.