EP1066109A1 - Vorrichtung, verfahren und druckreaktor zur behandlung von feststoffen mit verflüssigten gasen unter druck - Google Patents

Vorrichtung, verfahren und druckreaktor zur behandlung von feststoffen mit verflüssigten gasen unter druck

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Publication number
EP1066109A1
EP1066109A1 EP99911760A EP99911760A EP1066109A1 EP 1066109 A1 EP1066109 A1 EP 1066109A1 EP 99911760 A EP99911760 A EP 99911760A EP 99911760 A EP99911760 A EP 99911760A EP 1066109 A1 EP1066109 A1 EP 1066109A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solid
pressure
reactor
pressure reactor
chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99911760A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ties Karstens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cerdia Produktions GmbH
Original Assignee
Rhodia Acetow GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rhodia Acetow GmbH filed Critical Rhodia Acetow GmbH
Publication of EP1066109A1 publication Critical patent/EP1066109A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • B01J19/20—Stationary reactors having moving elements inside in the form of helices, e.g. screw reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/008—Processes carried out under supercritical conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/02—Feed or outlet devices therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00—Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/02—Pulping cellulose-containing materials with inorganic bases or alkaline reacting compounds, e.g. sulfate processes
    • D21C3/024—Pulping cellulose-containing materials with inorganic bases or alkaline reacting compounds, e.g. sulfate processes with NH3 or H2O
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C7/00—Digesters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/18—Details relating to the spatial orientation of the reactor
    • B01J2219/185—Details relating to the spatial orientation of the reactor vertical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/194—Details relating to the geometry of the reactor round
    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1943—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped cylindrical

Definitions

  • the invention relates to a method, a device and a pressure reactor for treating solids with liquefied gases, in particular with liquefied ammonia, under pressure.
  • a generic method emerges, for example, from WO 96/3 04 11.
  • polysaccharides are brought into contact with liquid ammonia under pressure.
  • the volume available to the polysaccharide / liquid ammonia system is explosively increased by lowering the pressure by at least 5 bar. In this way, an increased accessibility and reactivity of the treated polysaccharides can be achieved.
  • a method for introducing fibrous lignose cellulose raw material into a pressurized container is known.
  • the raw material is pre-compressed to a density of at least 0.72 gram / cm3 before entering the pressure vessel and then introduced into the vessel by a screw conveyor.
  • the pre-compressed raw material thus acts as a plug which seals the inlet opening of the pressure vessel so that the pressure in the vessel can be maintained. This makes it possible to continuously supply cellulose to the container.
  • the known method requires a dwell time (approx. 4 minutes) of the cellulose in the pressure vessel, which is unnecessarily long, in particular for the treatment with liquid ammonia under pressure, especially under high pressure, since it is known that liquid ammonia within one Diffuses from a few seconds to a minute into solids and is evenly distributed.
  • a reliable and adequate sealing of the device is also problematic when operating with liquid ammonia under pressures of up to 40 bar, in particular at the location of the drive shaft for the pressure vessel and for the screw conveyor in the outlet part under the pressure vessel. Sealing the
  • the smallest possible size of the device for carrying out the known method is at a throughput of about 400 tons per year, which is much too large for certain areas of application.
  • a method is known from US Pat. No. 5,171,592 in which the biomass to be treated is pressed against a large valve by means of a solids pump in order to compress the material and to press out the air contained therein before the valve is opened in order to open the biomass bring in the reactor.
  • the reactor is equipped with finger-like teeth on the inside of the reactor and on a rotating tool. Show your teeth -3-
  • the reactor outlet is provided with a valve, through which the biomass treated with ammonia can escape explosively into a collecting container.
  • the device for carrying out the method is therefore relatively complex and is not suitable for processes which are carried out under high pressure, since rotating machine parts are in the area of the high pressure, which causes the known device to be more susceptible to wear and malfunction.
  • the object of the present invention to provide a method with which the disadvantages of the prior art described are avoided, while at the same time the treated solid is to be obtained almost continuously.
  • the invention is also based on the object of providing a device or an associated pressure reactor which is suitable for carrying out the method and is distinguished by high availability and low maintenance expenditure.
  • the solid to be treated is introduced into a pressure reactor at ambient pressure, then the liquid gas is fed under pressure to the pressure reactor and the resulting mixture of liquid gas / solid is explosively expanded into an expansion tank after a predetermined dwell time, at least two Reactors are operated temporally killed.
  • the solid to be treated can be at the beginning of the process according to the invention, in particular after a previous preparation in the sense of a fragmentation or comminution, up to a desired bulk density or up to a certain one
  • the method according to the invention can be used for the treatment of cellulose, starch, gelatin, guar or wood chips and very generally of substances containing polysaccharides, but also for the treatment of minerals such as silicates and zeolites and of thermoplastic polymers. Because of its particularly good diffusion properties, ammonia has proven itself extremely well for use as a liquefied petroleum gas.
  • a quasi-continuous treatment of the solid can be achieved by the timed operation of at least two pressure reactors, so that starting material is provided for further processing almost without interruption.
  • the gas released in the explosion-like expansion is preferably recovered.
  • the recovered gas can then be returned to the process in liquid form. This enables a particularly economical procedure, since overall only a small part of the gas used, for example -5-
  • the solid can be introduced into the pressure reactor using dosing screws.
  • the method according to the invention can be carried out particularly reliably by using this known, technically sophisticated conveying means.
  • the solid can also be introduced into the pressure reactor by means of a pneumatically operating conveying device.
  • a pneumatically operating conveying device With this measure, a particularly rapid and targeted supply of the solid to be treated can be achieved.
  • the solid to be treated is preferably actively mixed with the liquefied gas in the pressure reactor. This has the advantage that the liquefied gas penetrates deeper into the solid and is distributed more homogeneously in it. In addition, this additional measure allows the residence time of the liquid gas / solid mixture in the pressure reactor.
  • the opening and closing of the reactors and / or the supply of the solid and / or the liquefied gas is controlled automatically.
  • a solid or liquid additive dissolved or dispersed therein can be introduced into the reactor together with the liquefied gas under pressure.
  • the solid can be simultaneously with the Treatment with the liquefied gas continues to add substances, for example to further increase its activation.
  • ammonia is suitably used as the liquid gas, since numerous additives can be easily dissolved in it.
  • the liquefied gas is preferably mixed with the solid or liquid additive before entering the reactor. This enables a homogeneous solution or dispersion to be prepared from the additive and the liquefied gas.
  • the device according to the invention for the treatment of solids with liquefied gases under pressure has at least two pressure reactors arranged in parallel for alternating absorption of a solid and a liquefied gas, the inlet or outlet openings for the solid each provided with shut-off elements and at least one inlet opening for the liquefied gas have, at least one expansion tank, which is connected to the respective pressure reactors, and conveying means for supplying the solid and the liquefied gas.
  • the device according to the invention enables quasi-continuous operation in the treatment of a solid with liquid gas under pressure.
  • the interior of the reactor can be sealed off from the environment in a simple manner by the shut-off elements, so that no complex construction or process engineering is required
  • Precautions are required to maintain pressure while performing the procedure.
  • shut-off devices of the pressure reactors are preferably designed as ball valves. These have the advantage of being technically mature and tried and tested. You can have many
  • the pressure reactors are designed as vertical tubular cylinders.
  • the filling with crushed and free-flowing solids is facilitated, since gravity supports the introduction of the solid here.
  • These tubular cylinders are particularly easy to manufacture and their number can be selected depending on the optimal residence time for the solids to be treated.
  • the cycle frequency, and thus the number of tube cylinders to be used, is based on the filling time of each tube cylinder. With an intended filling time of about one minute, e.g. with eight cylinders, each with a capacity of 8 kg, a throughput of 2.4
  • Tons / hour can be reached.
  • the inlet of the reactor can be widened in a funnel shape.
  • means can be used to automatically control the process sequences, in particular the introduction of the solid and / or the liquefied
  • Gas and / or the clocked actuation of the shut-off elements of the pressure reactor can be provided.
  • the pressure reactors are equipped with an external heater. This can be used in conjunction with a suitable
  • the reactors preferably each have a plurality of openings for the supply of the liquid gas.
  • the liquid gas can be distributed particularly finely over the entire interior of the reactor and thus over the solid surface.
  • the reactors can also be designed as mixers. In this case, however, technically complex measures must be taken to ensure that the reactors are sealed securely.
  • shut-off element at the inlet of each pressure reactor can be designed as a lock system.
  • the tightness of the reactor can be additionally increased or secured.
  • the device according to the invention preferably has a compressor device which compresses the solid, in particular cellulose, in the pressure reactor.
  • a compressor device which compresses the solid, in particular cellulose, in the pressure reactor.
  • the degree of filling is advantageously maintained within relatively narrow limits. A complex and expensive gravimetric dosing system can therefore be dispensed with.
  • the compressor device preferably has a compressor piston which can be moved in a cylindrical reactor chamber (34, 50; 81) or metering chamber and which compresses the solid.
  • the piston is used to compress the amount of solids in a manner that is gentle on the material.
  • the compressor piston preferably has one or more channels which extend fluid-continuously from an underside to an upper side of the compressor piston.
  • Perforation of the piston can escape disruptive propellant gas from the reactor chamber during compression and an exactly reproducible degree of filling of the solid is achieved.
  • the compression piston preferably moves the compressed amount of solids from a compression chamber into a reaction chamber of the pressure reactor. This saves extra funds for feeding the reaction chamber.
  • the compressor piston can preferably be locked or at least stopped in one position of its possible piston stroke, which saves additional shut-off means for separating the compression and the reaction process.
  • different fill levels and fill volumes of the solid can be realized in the reactor chamber.
  • a processing device for the solid is preferably provided, which processes the solid before it is fed to the pressure reactor or the pressure reactors, thereby reducing the reaction time in the pressure reactor.
  • a heating device that heats the solid is preferably used as the processing device.
  • a heat transfer fluid is preferably supplied to the solid, which heats the heating device, thereby ensuring homogeneous heating of the solid during processing.
  • Liquid or gaseous ammonia is preferably used as the heat transfer fluid, whereby the absorption of liquid ammonia in the pressure reactor is further improved and even shorter reaction times are achieved.
  • the heating device preferably heats the ammonia to a temperature of approximately 100 ° C., as a result of which favorable conditions for the ammonia uptake are generated in the pressure reactor.
  • the heat transfer fluid circulates in a heating circuit, whereby energy and
  • the solid is preferably heated in a screw conveyor, whereby an exact time of action of the heat transfer fluid on the solid and thus a constant and precise heating of the solid can be achieved.
  • the process according to the invention preferably comprises the following pressure reactor phases, a pressure reactor being charged with solid during a filling phase, the solid being subsequently compressed in a pressure phase during a compression phase, liquefied gas then being fed to the compressed solid in the pressure reactor during a reaction phase, with a liquid gas / solid mixture is generated, and then the liquid gas / solid mixture is explosively expanded into an expansion tank.
  • a liquefied gas e.g. a mixture of ammonia and urea are added to the pulp in the pressure reactor in order to produce CeHulose carbamate using the method according to the invention, the device according to the invention or the pressure reactor according to the invention.
  • the filling phase and the subsequent compression phase of the solid can be repeated one or more times in the pressure reactor -11-
  • one compression stroke or several successive compression strokes of a compression piston of the pressure reactor can be carried out in order to achieve the desired degree of filling.
  • the pressure reactor according to the invention for treating a solid, in particular cellulose, with a gas or a liquid, in particular liquid ammonia, optionally with urea, under pressure comprises a compression device which compresses the solid which has been introduced into the pressure reactor in order to compress it, as a result of which the already Advantages explained above can be obtained.
  • the process according to the invention for treating a solid, in particular cellulose, with a gas or a liquid, in particular liquid ammonia, under pressure is carried out with the following steps: a pressure reactor is charged with solid during a filling phase, and then the solid is in the pressure reactor during a compression phase compressed, then the gas or liquid is compressed during a reaction phase
  • Solid is fed into the pressure reactor to produce a liquid / solid mixture or gas / solid mixture, and then the mixture is explosively expanded into an expansion tank.
  • Figure 2 is a schematic view of the device for performing the method of Figure 1, with a pressure reactor with dosing;
  • Figure 3 is a side view of the device of Figure 2;
  • FIG. 4 is a plan view of the device of Figure 2;
  • FIG. 5 shows a schematic view of the pressure reactor according to the invention in accordance with a first embodiment for use in the device according to the invention;
  • Figure 6 is a schematic view of the pressure reactor of Figure 5 to explain a
  • FIG. 7 shows a schematic view of the pressure reactor according to FIG. 5 to explain a compression phase of the pressure reactor
  • Figure 8 is a schematic view of the pressure reactor of Figure 5 to explain a
  • Figure 9 is a schematic view of a solids processing
  • FIG. 10 is a schematic view of an alternative solids processing
  • Solid feed device for use in the device according to the invention
  • FIG. 11 shows a schematic view of a feed device for use in the device according to the invention.
  • Figure 12 is a schematic view of a second embodiment of the inventive pressure reactor for use in the inventive
  • Figure 13 is a schematic and perspective view of a pressure reactor group with four pressure reactors according to Figure 12 for use in the invention
  • FIG. 14 shows a schematic overall view of a device according to the invention with the pressure reactor group according to FIG. 13.
  • the pressure reactors 10 (here five parallel reactors) are conveyed in succession via a conveying means 22, for example the solid
  • Liquid gas here liquid ammonia
  • An additive e.g. Urea, which is mixed with the liquid ammonia.
  • the centerpiece of the system consists of the pressure reactors 10, which have a shut-off device 11 and 12, which stand vertically at the top and bottom, and which can be designed, for example, as valves.
  • a shut-off device 11 and 12 which stand vertically at the top and bottom, and which can be designed, for example, as valves.
  • Three openings 13 are provided here for the supply of the liquefied gas, so that a uniform penetration of the solid to be treated is ensured.
  • shut-off device which has a pressure resistance of up to approximately 40 bar is suitable for use in the device according to the invention, for example ball valves, segment ball valves, flaps, rotary valves or the like.
  • So-called lock systems i.e. two ball valves arranged in tandem can be used as shut-off devices.
  • the first ball valve is in contact with the product (and may lose its pressure stability over time), whereas the second ball valve does not come into contact with the product and should therefore have a lower leak rate.
  • the pressure reactor 10 it is also possible to design the pressure reactor 10 as a mixer. In this case, the shut-off devices at the inlet and outlet must be designed so that the tightness of the reactor is not endangered by the rotation of the mixing device.
  • the pressure reactor 10 is equipped with an external heater (not shown) which enables an increased temperature in the pressure reactor 10 and moreover compensates for the temperature drop after the rapid expansion into the expansion tank 14.
  • the pressure reactor 10 is appropriately filled with the solid
  • Transport of the solid matter into a storage container e.g. be ensured by screw conveyors, the closure of this storage container from the atmosphere and a supply of compressed ammonia gas for pneumatic conveying.
  • FIGS. 1 and 2 The main elements of the device according to the invention are shown in FIGS.
  • the individual containers are suitably fastened to a supporting structure, preferably made of steel, and comprise the pressure reactors 10 (only one is visible in FIGS. 2 to 4), the expansion container 14, washer 26 and an absorber 28 -15-
  • the steel structure is expediently accessible. Additional units, e.g. Pumps, cooler compressors are located below the system. The control, regulating units and the computer are not shown here. These elements can be separated from the system, for example in an adjoining room. In this way, the operator must monitor the
  • the expansion tank 14 consists of three parts screwed together with about 900 L content here.
  • FIG. 2 shows the receptacle for the explosion ball valve and the pressure reactor 10 attached to it on the right above the expansion tank 14.
  • a frame On the left side above the expansion tank 14, a frame is attached, on which a cellulose dosing trolley 23 is attached.
  • the lower part of the expansion tank 14 is tapered towards its end.
  • a slide system with a silicone seal ensures that the
  • a removable sieve plate is provided in the upper part of the expansion container 14, so that no pulp gets into the absorber 28.
  • a pressure measuring device is installed in front of and behind the sieve bottom, by means of which the pressure difference is determined. An increase in the pressure difference signals to the operator that the strainer is blocked.
  • the absorber here has a capacity of about 680 liters and is usually provided with a fill level sight glass so that it can be determined to what extent the immersion tubes protrude into the water in the absorber.
  • the absorber 28 can have an electrical level probe and a temperature sensor. At the bottom of the absorber 28 there are several outlets, two of which are connected via a pump to a flow cooler with a flow meter in order to circulate the absorber water and to keep it at a temperature of about 20 ° C. Fresh water can be fed in manually via an overhead connection to replace used water. The used water is drained by hand through a third nozzle on the floor.
  • the absorber is connected to the scrubbers 26, which in the present case have a volume of about 40 liters each, via flange connections via the two upper rear-facing exhaust air sockets of the absorber.
  • the air guided by the absorber is prewashed in the washers 26 before it is passed into the atmosphere.
  • the exhaust air is washed in a known manner via spray nozzles which are supplied with automatic refill via a recirculating cooler.
  • the gas required for the process is stored in a storage container, e.g. an .Ammoniak bottle stored, which is arranged on a dosing and connected to a control device.
  • a storage container e.g. an .Ammoniak bottle stored, which is arranged on a dosing and connected to a control device.
  • the reactor has a volume of approximately 1.2 liters and is heated on two opposite sides in the full length by means of a heat exchanger to a desired temperature. If ammonia is used as the liquid gas, a reactor temperature of approximately 80 ° C. has proven to be particularly suitable.
  • a chemical pressure gauge can be provided in the main line for controlling the pressure of the liquid gas, a valve for venting the absorber and one or more safety valves at a suitable location. Fine metering valves are preferably used for introducing the liquefied gas into the reactor 10. -17-
  • the cellulose dosing trolley 23 stands above the expansion tank 14 and is equipped with a storage tank and a double screw. It is controlled by a PLC control and the control device already mentioned.
  • the ball valves, butterfly valves, fine metering valves and the other valves are pneumatically controlled via the PLC control, which is connected to a computer. In the usual way, they have position indicators for the PLC control.
  • the pressure on the pneumatic valves is kept constant by a compressor.
  • the control consists of two control and regulation circuits, the PLC control (e.g. Sematic Step 5) and a computer with Intouch software as the user interface. Via the input unit of the
  • the entire system is also operated on the computer.
  • suitable display devices which, among other things, display all alarms.
  • the invention provides a method and a device suitable therefor, according to which liquid gas, preferably liquid ammonia, can be fed under pressure to a solid in whatever form.
  • liquid gas preferably liquid ammonia
  • This solid is kept in contact with the liquid ammonia under pressure for a predetermined period of time without there being any pressure drop in the reactor and without the substance to be treated itself having to be used to maintain the pressure, since the reactor is filled at ambient pressure . For this reason, the morphology of the solid to be treated is not changed or impaired.
  • the rapid and uniform diffusion of the liquid ammonia under pressure ensures a homogeneous distribution of the same in the solid to be treated and, as a result, a uniform activation of the solid.
  • the method according to the invention and the device specified for carrying out the method are particularly suitable for the treatment of cellulose, starch, gelatin, guar or wood chips and very generally of substances containing polysaccharides. Furthermore -18-
  • FIG. 5 shows schematically an inventive pressure reactor according to a first embodiment for use in the device according to the invention.
  • the pressure reactor 30 comprises a compressor device, a pressure reactor vessel 31, at least one solids inlet 36 and at least one conveying agent outlet 37 for a solids conveying means and is functionally subdivided into at least one compression section 32 and one reaction section 33, the two sections using a
  • Separator e.g. a ball valve, a flap or a lock can be separated from each other.
  • the pressure reactor vessel 31 is of a substantially cylindrical shape and is arranged vertically.
  • the pressure reactor vessel 31 has the compression section in the upper region
  • the compression section 32 essentially comprises a compression chamber 34, a compression device 35, the solids inlet 36, through which the solids into the
  • Compressor chamber 34 can be fed, and a conveyor outlet 37 through which a conveyor, e.g. Gas, air or nitrogen or the like with which the solid material is fed into the compression chamber via the solids inlet 36 is removed from the compression chamber 34 again.
  • a conveyor e.g. Gas, air or nitrogen or the like with which the solid material is fed into the compression chamber via the solids inlet 36 is removed from the compression chamber 34 again.
  • the compressor device 35 comprises a compressor 38 and a compressor drive device 42 which is coupled to the compressor 38 and drives the compressor 38.
  • the compressor 38 compresses or compresses or compresses the solid, which is present, for example, as torn pulp, that is to say as a relatively coarsely broken cellulose, in the compressor chamber 34 of the pressure reactor 30. -19-
  • the compressor 38 shown in FIG. 5 comprises a compressor piston 39 and a compressor rod 40 which is connected to the compressor piston 39.
  • the compressor piston 39 matches the diameter to the cross-sectional inner diameter of the compressor chamber 34 of the reactor vessel 31 and is arranged vertically within the compressor chamber 34 and also movable up and down into a reaction chamber 50 of the reaction section 33.
  • the compressor piston 39 has an upper side and a lower side, the upper side pointing to the conveying means outlet 37 and the lower side pointing to an expansion tank 89. Between the top and the bottom of the compressor piston 39 there are a plurality of fluid-permeable channels which provide a fluid-permeable connection for the gaseous conveying medium from the underside to the top of the compressor piston 39 to the conveying medium outlet 37.
  • the compressor rod 40 is attached to the top of the compressor piston 39, which in turn is moved by the compressor drive device 42 and converts its movement on the compressor piston 39.
  • the compressor drive device 42 comprises a pneumatic cylinder which is connected to a corresponding pneumatic system.
  • the compressor drive device 42 can also be designed as a hydraulic system or as a mechanical system driven by an electric motor.
  • the compressor piston 39 is shown in its starting position or rest position A, which it generally assumes when the compressor chamber 34 is charged with solid via the solids inlet 36.
  • the rest position A of the compressor piston 39 generally corresponds to the topmost position seen vertically, which the compressor piston 39 can assume.
  • a sensor device 43 is arranged, which for
  • the sensor device 43 has one or more sensors which, for example, are based on -20-
  • a ß sensor with the appropriate detector can be used.
  • the solids inlet 36 is continuously connected to a solids transport system or a Festste ff conveyor, which feeds the solids to the pressure reactor 30.
  • pulp in the form of the Torn Pulp is used as the solid.
  • guar splits or another granular solid or a mixture of solids can also be used.
  • the solid matter conveying device pneumatically requires the pulp or solid matter, ie using air or nitrogen or a similar gas as the conveying means. The funding that when filling the compressor chamber 34 on the
  • Solid inlet 36 enters the compression chamber 34 together with the solid, escapes via the conveyor outlet 37 from the compression chamber 34 or the pressure reactor interior.
  • the conveyor outlet 37 is fluidly coupled to a return device 96 (cf. FIG. 14) which controls the conveyor, e.g. Air, from the inside or the reactor chamber of the pressure reactor 30 back into the pulp
  • shut-off device 53 or separation device is provided, which is in an open position
  • the shut-off device 53 is indicated schematically in FIG. 5 as a ball valve. But it can also be used as a hinged closure device or e.g. as
  • Sluice device or double sluice device or the like can be designed in any case to establish a secure separation between the compression section 32 and the reaction section 33.
  • the reaction section 33 of the pressure reactor 30 has a cylindrical reaction chamber 50, the inside diameter of which corresponds to the diameter of the compression chamber 34.
  • a plurality of ammonia inlets 51 are formed in the wall of the reaction chamber 50, through which liquid ammonia can be fed to the reaction chamber 50.
  • a number of ammonia inlets 51 are provided in order to ensure a homogeneous loading of the reaction chamber 50 when the pulp is being filled.
  • a heating device 44 is arranged in or on the wall of the reaction chamber 50.
  • the reaction chamber 50 can be shut off or accessible upwards through the ball valve and downwards, i.e. towards the expansion chamber 89, through a further shut-off device 54, e.g.
  • reaction chamber 50 is thus separated from the expansion chamber 89 when the shut-off device 54 is closed, or is connected to the expansion chamber in a fluid or solid manner when the shut-off device 54 is open.
  • FIGS. 6, 7 and 8 show different phases or cycles of the pressure reactor function in order to describe the method according to the invention.
  • a filling phase is shown in FIG. 6, in which the compressor piston 39 is in its uppermost position within the compressor chamber 34, i.e. is in a rest position A.
  • FIG. 7 shows a typical compression phase, in which the compressor piston 39 compresses or compresses the amount of solids in the compressor chamber 34.
  • FIG. 8 shows an ejection phase in which, after the filling and compression of the solid in the
  • Pressure reactor 30 of the compressor piston 39 pushes the compressed amount of solids from the compression chamber 34 through the opened shut-off device 53 into the reaction chamber 50 of the pressure reactor 30, the compressor piston 39 being in an ejection position C for the compressed amount of solids from the compression chamber 34 into the reaction chamber 50 .
  • the compression pistons 39 are in their rest position A or retracted position A, while the solids supply device via an opened feed flap 52 and the solids inlet 36 also contains the compression chamber 34 of the pressure reactor 30 Solid, in this case cellulose in the form of torn pulp, using compressed air as the conveying medium.
  • the air that has entered the compressor chamber 34 during filling escapes through the channels 41 or the perforation of the compressor piston 39 to the conveyor outlet 37 located above in the conveyor circuit.
  • the shut-off device 53 of the pressure reactor 30 is closed during the filling.
  • the sensor signals from sensor device 43 are constantly monitored by a central control device. Since the sensor signals are a measure of the bulk density of the solid or pulp in the compression chamber 34, the central control device, e.g. a programmed computer, determine when a predetermined, specific output level or density of the
  • Solid is given in the compressor chamber 34.
  • the solids feed device now continuously feeds solids or cellulose to the compression chamber 34 until the central control device detects a corresponding predetermined filling level.
  • the central control device stops the solids feed device, closes the feed flap 52 or a corresponding shut-off device and controls the compressor drive device 42 to carry out a compression stroke in which the compressor rod 40 and thus also the compressor piston 39 are moved downward or downward from position A, in order to compress or compress the solid matter in the compression chamber 34, as shown in FIG. 7, the compression piston assuming a compression position B, for example.
  • the compression phase is in turn monitored by the central control device via the evaluation of the sensor signals of the sensor device 43.
  • the central control device determines on the basis of the sensor signals from the sensor device 43 that a target filling level or a -23-
  • the control device stops the compressor drive device 42 in order to stop the compression phase.
  • the central control device then opens the shut-off device 53 with the shut-off device 54 closed at the same time and controls the shut-off device
  • the central control device waits until the compressor piston 39 is again in its rest position A, which e.g. via motion or displacement sensors on the
  • Compressor rod 40 can be monitored. After the compressor piston 39 has reached its rest position A again, the central control device now closes the shut-off device 53 via corresponding electrical signals and actuating devices, as a result of which the reaction chamber 50 is hermetically separated from the compressor chamber 34. The central control device now leaves liquid via the ammonia inlets 51
  • Ammonia solid mixture expanded explosively from the reaction chamber 50 into the expansion chamber below.
  • Control device determines by evaluating the sensor signals from the sensor device 43, the compression piston 39 is returned to its rest position A or to its top dead center. The downward compression stroke is repeated. If, despite one or more repetitions of the compression stroke, none of the predetermined degrees of target compression are reached, a further filling phase is carried out, as was explained above with reference to FIG. 6.
  • This intermediate filling phase or additional or supplementary filling phase takes place e.g. such that only a relatively small amount of solids is fed into the compression chamber 34 from the solids supply device when the flap 52 is open. This small amount of filler can be brought about by the central control device via a brief or short-phase opening of the flap 52 when the solids supply device is active, without taking into account the sensor signals from the sensor device 43.
  • the central control device again initiates a compression phase (cf. FIG. 7) in order to obtain the degree of target compression of the filled solid.
  • a compression phase cf. FIG. 7
  • several compression strokes of the compressor piston 39 can again be carried out until the target compression degree is reached and the method can be continued with the discharge and reaction phase.
  • the central control device repeatedly performs supplementary filling and compression phases until the target compression level is reached, and the process can be continued with the discharge, reaction and expansion phases explained above. -25-
  • the solid preparation and feeding device shown in FIG. 9 essentially comprises a heating stage followed by a comminution stage, a gas or a liquid being fed to the solid or pulp in the heating stage in order to prepare the solid or pulp for further processing and to adjust the pulp for the absorption in the pressure reactor of unheated liquid ammonia more reactive.
  • the heating stage comprises a screw conveyor 63, the input side of a
  • the heating stage further comprises a heating device 73 and a pump 72, which are arranged in a heating circuit 66, in which the screw conveyor 63 is also at least for a certain section.
  • the heating circuit 66 is still appropriate
  • Feed devices such as pipes, valves etc. are fluidly connected to an ammonia reservoir 74, liquid or gaseous ammonia being able to be fed into the heating circuit 66 from the ammonia reservoir 74.
  • the pump 72 circulates the gaseous or liquid ammonia in the heating circuit 66.
  • the heating device 73 heats the ammonia to a temperature of approximately 100 ° C., which is fed to the pulp in the screw conveyor 63 in order to prepare the pulp for further processing.
  • the ammonia gas or the liquid ammonia acts in the screw conveyor 63 on the pulp along an exposure path during a predetermined exposure time.
  • the heating stage is followed by the shredding stage, which consists of a shredder 64, e.g. one
  • a shredder or crusher for wood chips and a subsequent screening device 65, in which excessively coarse solid or pulp is screened out and fed back to the shredder 64 via a solids return 71 on the input side.
  • the fine pulp passes through the screening device 65 and can then be fed via a further feed or further solid feed device, as explained below -26- is, for example, the pressure reactor 30 or distributed to a pressure reactor group consisting of a plurality of pressure reactors 30.
  • the preparation in the heating stage makes the solid or pulp more reactive for the later absorption of liquid ammonia in the pressure reactor 30, as a result of which the
  • Dwell time or cycle time during the reaction phase of pulp of ammonia in the pressure reactor can be reduced and the yield rate in the overall process can thereby be increased.
  • the further comminution of the solid or the pulp and subsequent sieving in the comminution stage make it possible for the pressure reactor 30 to be provided with pulp with improved homogeneity and an enlarged reaction surface, as a result of which the reaction phase in the pressure reactor is further shortened and the yield rate of the overall process is accordingly increased or the cycle times of the quasi-continuous manufacturing process of the invention can be shortened.
  • FIG. 10 shows a supplemented or alternative embodiment of the fixed processing and crushing device of FIG. 9 again schematically.
  • the same parts and devices of the processing stage of FIG. 10, as are also used in the embodiment of FIG. 9, are given the same reference numerals in FIG. 10 and are therefore not explained in more detail below.
  • the processing device of FIG. 10 has an additional heating stage followed by an additional comminution stage, the additional heating stage and additional comminution stage following the screening device 65 on the output side in this order.
  • the additional heating stage essentially in turn comprises a screw conveyor 67 and an ammonia feed device 70, which feeds the screw conveyor 67 preheated liquid ammonia, which in turn is in the screw conveyor 67 for an exposure time over a -27-
  • Conveying line acts on the pulp or solid, which is conveyed on by the screw conveyor 67.
  • the additional heating stage is followed by the additional comminution stage 68, which essentially consists of e.g. there is another shredder, e.g. as cold
  • Shredder 68 (available e.g. from the company Fryma, Switzerland) can be designed and the shredded pulp is fed to the solids feed device or the transport system or directly via a shut-off device, e.g. a slide or a flap 69, the pressure reactor 30 supplies.
  • a shut-off device e.g. a slide or a flap 69, the pressure reactor 30 supplies.
  • the additional size reduction serves to further homogenize the size
  • FIG. 12 schematically shows a further embodiment of a pressure reactor 80 according to the invention for use in the device according to the invention.
  • the pressure reactor 80 consists of a vertically or vertically arranged pressure reactor housing with a cylindrical cross section, which is closed at the top and at the bottom, i.e. towards the expansion chamber 89, with a shut-off device 88, e.g. a ball valve is provided which, in the open state, provides a continuous connection between a reactor chamber 81 or the interior of the pressure reactor 80 and the expansion chamber 89 and in the closed state shuts off the interior of the pressure reactor 80 with respect to the expansion chamber 89.
  • a shut-off device 88 e.g. a ball valve
  • the interior of the pressure reactor 80 is designed as a single chamber with the reactor chamber 81.
  • the pressure reactor 80 further comprises a compressor device and one
  • Separating device which separates the solid or pulp or pulp particles fed via a continuously working feed device from a conveying means, for example air or nitrogen.
  • the compressor device includes a compressor piston 84, a piston rod 85, which attaches to an upper side of the compressor piston 84, and a drive device (see, for example, 98 in FIG. 14), which is coupled to the piston rod 85, around the compressor piston 84 within the reactor chamber 81 to move up and down and carry out appropriate compressor strokes.
  • the compressor piston 84 fits circumferentially in the clear
  • the drive device of the compressor piston 84 can in turn, e.g. be designed pneumatically.
  • the solids feed device is designed pneumatically, for example, and compressed air is accordingly used as the conveying means.
  • the separating device is designed as a cyclone 83, to the input side of which the supplied solid material is fed with conveying means via a solids inlet 86 and the conveying means is removed from the outlet side via a conveying means outlet 87.
  • a section of the reactor chamber 81 serves as the vortex chamber of the cyclone 83.
  • a plurality of ammonia inlets 90 which are offset in height and radially from one another are formed.
  • the lower region of the reactor chamber 81 serves as the reaction region 82 in which the solid ammonia or cellulose is charged with the liquid ammonia in order to form the cellulose / ammonia mixture.
  • a sensor device is in turn attached to the pressure reactor 80, which detects the fill level and degree of compaction of the solid matter in the reactor chamber 81 and is connected to a control device for the pressure reactor 80, which performs all the filling, compression, reaction and closing and opening processes controls and monitors at the pressure reactor 80.
  • the compressor piston 84 is in its uppermost position, namely its rest position D, above the feed device -29- and the cyclone 83, the reactor chamber 81 of the pressure vessel 80 is filled with solid, the conveying means being discharged via the conveying means outlet 87.
  • a compression phase is initiated by the control device.
  • the compressor piston 84 driven by a pneumatic drive device via the piston rod 85, carries out a downward compression stroke or a plurality of successive compression strokes until a predetermined degree of compression of the pulp is given in the reactor chamber 81, which in turn monitors the control device by means of the sensor device and is controlled. If the target degree of compression of the pulp is reached, the compressor piston 84 remains in the deflected position, namely the end position E. of the last compression stroke.
  • the pulp in the reactor chamber 81 then has e.g. the fill level or associated volume V2, as can be seen in FIG.
  • Compression piston 84 can be adjusted, allowing different volumes, e.g. also VI, can be realized.
  • a reaction area 82 within the reactor chamber 81 is then delimited by the compression piston 84 in position E, by the cylindrical wall of the reactor housing and by the closed shut-off device 88, the volume of the reaction area 82 corresponding to the volume that was compressed
  • the central control device then initiates the reaction phase, while the liquid ammonia is fed under pressure to the solid or pulp in the reaction area 82 via the ammonia inlets 90. After the end of the reaction phase or the assigned reaction time, the control device opens the shut-off device 88 and the intended explosion-like explosion of the pulp / ammonia mixture now present in the reaction area takes place into the expansion chamber 89. -30-
  • the central control device then closes the shut-off device 88 again and the compressor piston 84 is withdrawn into its rest position D (return phase), after which a new cycle of filling phase, compression phase, reaction phase and expansion phase is carried out.
  • the compressor piston 84 itself has the function of limiting or closing the reaction area 82 without requiring an additional shut-off device.
  • FIG. 11 shows an example of a device that can be used in the device according to the invention
  • the feed device shown essentially has a screw conveyor 91, which is coupled to an associated drive 93, and a conveyor propeller 94, which is connected on the input side to the screw conveyor area and on the output side to a distribution system 95.
  • the screw conveyor has a left-hand section and a right-hand section and is connected to a solids supply 92 from which the screw conveyor 91 solids, e.g. Cellulose, promotes.
  • the conveyor propeller 94 starts to detect solid matter fed from the screw conveyor 91 and feed it to the distribution system 95, which finally feeds the accelerated solid matter to one or more pressure reactors.
  • the solid feed device shown in FIG. 11 continuously feeds solid to the pressure reactors.
  • a compressed gas line can be attached to the screw conveyor
  • Set up 91 that conveys a pressurized gas to the screw conveyor 91, e.g. compressed air, nitrogen, in order to enable the solid to be transported continuously into the distribution system from the screw conveyor 91; the pressurized gas then acts as a propellant gas and conveying agent for the solid in the distribution system 95 the pressure reactor.
  • a pressurized gas e.g. compressed air, nitrogen
  • FIG. 13 shows an example of a pressure reactor group which comprises four identical pressure reactors 80.1, 80.2, 80.3 and 80.4 of the type shown in FIG. 12, one pneumatic cylinder 98 per pressure reactor for driving the respective compressor piston 84 via the piston rod 85.
  • Pressure reactors 80.1 to 80.4 are connected to the distribution system 95 of a solids supply device (cf. 91, 92, 95, 100 of FIG. 14), the conveying device outlets 87 of the cyclones 83 into a common conveying medium return device 96, as in the figure 14 is shown.
  • the ammonia inlets 90 of the individual pressure reactors 80.1 to 80.4 are connected to an ammonia source for liquid pressurized ammonia via a line system shown in FIG.
  • the individual pressure reactors 80.1 to 80.4 are operated either individually or in groups, e.g. in groups of two, operated and controlled offset to each other in order to obtain a quasi-continuous overall manufacturing process.
  • the filling and compression phase are carried out, while in the two rear pressure reactors 80.3 and 80.4 the reaction and
  • the operation of the pressure actuator group can, however, also take place out of phase, as will be explained below.
  • the corresponding pressure reactors are filled for the first time out of phase
  • the filling phase is then carried out in a first step, for example in the pressure reactor 80.1, while the compression phase is carried out simultaneously in the pressure reactor 80.2, the reaction phase in the pressure reactor 80.3 and the expansion phase and return phase of the compressor piston 84 in the pressure reactor 80.4.
  • the next, second step they are then simultaneously to each other, corresponding to the figure -32-
  • the expansion and return phases are then carried out simultaneously in the pressure reactor 80.1, the filling phase in the pressure reactor 80.2, the compression phase in the pressure reactor 80.3 and the reaction phase in the pressure reactor 80.4.
  • FIG. 14 shows the supply system which is designed to match FIG. 13 and comprises a supply of solid material, a conveyor circuit 96 and a heating circuit 66.1.
  • the solids supply comprises a storage container (silo) 92, to which 100 solids, for example pulp as Tora Pulp or ground pulp, are fed on the input side via a cellular wheel sluice, and the pulp prepared in the silo 92 is removed on the output side via a further cellular wheel sluice.
  • the rotary valve 100 transfers the pulp from the silo 92 to the screw conveyor 91 (see, for example, FIG. 11), at the output of which compressed air as propellant gas and funding from the conveyor circuit 96 is fed to the pulp conveyed by the screw conveyor 91, causing the pulp to enter the pulp Distribution system 95 is conveyed to the pressure reactors 80.1 to 80.4.
  • the conveyor outlets 87 of the cyclones 83 of the pressure reactors are fluidly connected to a conveyor return device 96 of the conveyor circuit, the -33-
  • Conveyor return device 96 supplies the recirculated conveying device to a compressor device 97, which compresses the compressed air again and, as said, feeds into the distribution system 95 for conveying the pulp.
  • a filter device can be used in the conveying means return device in order to filter out solid particles from the conveying means or propellant gas return flow.
  • a funding supply 98 is connected to the funding cycle.
  • the pulp or solid in the silo 92 is charged with liquid or gaseous ammonia in a heating circuit 66.1, with a pump 72 in the heating circuit 66.1 which recirculates and feeds the
  • the gaseous or liquid ammonia e.g. heated to 100 ° C.
  • the relatively large volume of the silo 92 ensures that a desired processing reaction or a desired action of the heated ammonia on the pulp in the silo 92 is ensured before the solid is removed from the silo 92.
  • Heating circuit 66.1 is also connected to an ammonia source 74, which is used to compensate for ammonia losses in the heating circuit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen, insbesondere mit verflüssigtem Ammoniak, unter Druck, bei dem der zu behandelnde Feststoff bei Umgebungsdruck in einen Druckreaktor (10) eingebracht wird. Im Anschluss daran wird dem Druckreaktor (10) das flüssige Gas unter Druck zugeführt, und das so entstandene Gemisch flüssiges Gas/Feststoff wird nach einer vorgegebenen Verweilzeit explosionsartig in einen Expansionsbehälter (14) entspannt. Dabei werden mindestens zwei Reaktoren zeitlich getaktet betrieben. Des weiteren wird eine Vorrichtung zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen unter Druck beschrieben, welche mindestens zwei parallel angeordnete Druckreaktoren zur alternierenden Aufnahme eines Feststoffes und eines verflüssigten Gases, die jeweils mit Absperrorganen (11, 12) versehene Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen für den Feststoff sowie jeweils mindestens eine Eintrittsöffnung (13) für das verflüssigte Gas aufweisen, mindestens einen Expansionsbehälter (14), der mit den jeweiligen Druckreaktoren (10) verbunden ist, und Fördermittel (18) zum Zuführen des Feststoffes sowie des verflüssigten Gases aufweist.

Description

Vorrichtung. Verfahren und Druckreaktor zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen unter Druck
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und einen Druckreaktor zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen, insbesondere mit verflüssigtem Ammoniak, unter Druck.
Ein gattungsgemäßes Verfahren geht beispielsweise aus der WO 96/3 04 11 hervor. Bei dem bekannten Verfahren werden Polysaccharide mit flüssigem Ammoniak unter Druck in Kontakt gebracht. Bei der anschließenden Entspannung wird das dem System Polysaccharid/flüssiges Ammoniak zur Verfügung stehende Volumen unter Senken des Druckes um mindestens 5 bar explosionsartig vergrößert. Hierdurch läßt sich eine erhöhte Zugänglichkeit und Reaktivität der behandelten Polysaccharide erreichen.
Um eine möglichst hohe Ausbeute an behandelten Feststoffen in kurzer Zeit zu erzielen, werden derartige Verfahren vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt. Bei der kontinuierlichen Verfahrensführung sind jedoch geeignete Vorkehrungen zum Einbringen des Feststoffes in den Druckbehälter zu treffen.
Aus der DE-27 14 993 ist ein Verfahren zum Einbringen von faserigem Lignosecellulose- Rohmaterial in einen unter Druck stehenden Behälter bekannt. Hierbei wird das Rohmaterial vor dem Eintritt in den Druckbehälter auf eine Dichte von mindestens 0,72 Gramm/cm3 vorverdichtet und dann durch eine Förderschnecke in den Behälter eingebracht. Das vorverdichtete Rohmaterial wirkt somit als Pfropfen, der beim Passieren der Einlaßöffnung des Druckbehälters diese abdichtet, so daß der Druck im Behälter aufrechterhalten werden kann. Hierdurch ist es möglich, dem Behälter kontinuierlich Cellulose zuzuführen. -2-
Dieses kontinuierliche Verfahren bedingt jedoch einen hohen apparativen Aufwand auf der Zufuhrseite. Darüber hinaus kann durch den hohen Druck, der zum Verdichten der Cellulose auf diese ausübt werden muß, eine nachteilige Veränderung der inhärenten Eigenschaften der Cellulose bewirkt werden.
Weiter erfordert das bekannte Verfahren eine Verweilzeit (ca. 4 Minuten) der Cellu-lose im Druckbehälter, die insbesondere für die Beh.andlung mit flüssigem Ammoniak unter Druck, ganz besonders unter hohem Druck, unnötig lang ist, da bekanntlich flüssiger .Ammoniak innerhalb einer Zeitspanne von einigen Sekunden bis zu einer Minute in Feststoffe eindiffundiert und sich dabei gleichmäßig verteilt.
Auch ist eine zuverlässige und ausreichende Abdichtung der Vorrichtung beim Betrieb mit flüssigem Ammoniak unter Drücken von bis zu 40 bar, insbesondere am Ort der Durchführungen der Antriebswellen für den Druckbehälter und für den Schnecken-förderer im Austrittsteil unter dem Druckbehälter, problematisch. Die Abdichtung des
Druckreaktors nach außen erfolgt, wie oben ausgeführt, durch den zu behandelnden Stoff selbst. Dies gelingt möglicherweise bei sehr feuchten, plastisch verformbaren Feststoffen, wie z.B. Holzschnipseln, auf zufriedenstellende Weise. Bei Zellstoff, Guarsplits, d.h. harten, kleinen linsenförmigen Samen, sowie bei Mineralien, z.B. Zeolithen oder Silikaten, als Feststoff ist eine Abdichtung j edoch kaum möglich.
Schließlich liegt die kleinstmögliche Baugröße der Vorrichtung zur Durchführung des bekannten Verfiahrens bei einer Durchsatzmenge von etwa 400 Tonnen pro Jahr, was für bestimmte Anwendungsgebiete viel zu groß ist.
Aus der US 5 171 592 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die zu behandelnde Biomasse mittels einer Feststoffpumpe gegen ein großes Ventil gedrückt wird, um das Material zu verdichten und die enthaltene Luft auszupressen, bevor das Ventil ge-öffnet wird, um die Biomasse in den Reaktor einzubringen. Der Reaktor ist auf der Reaktorinnenwand und auf einem rotierenden Werkzeug mit fingerartigen Zähnen ausgestattet. Die Zähne weisen -3-
Löcher auf, um flüssigen Ammoniak in den Reaktor zu dosieren. Der Reaktoraustritt ist mit einem Ventil versehen, durch das die mit Ammoniak behandelte Biomasse explosionsartig in einen Auffangbehälter entweichen kann. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist somit relativ komplex und für Verfahren, die unter hohem Druck ausgeführt werden, nicht geeignet, da sich rotierende Maschinenteile im Bereich des hohen Drucks befinden, was eine erhöhte Verschleiß- und Störanfälligkeit der bekannten Vorrichtung bedingt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, wobei gleichzeitig der behandelte Feststoff nahezu kontinuierlich erhalten werden soll. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bzw. einen zugehörigen Druckreaktor bereitzustellen, die sich durch eine hohe Verfügbarkeit und einen geringen Wartungsaufwand auszeichnen.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen, insbesondere mit verflüssigtem Ammoniak, unter Druck gemäß Anspruch 1, durch die Vorrichtung nach Anspruch 10 bzw. durch den Druckreaktor nach Anspruch 45 oder das Verfahren nach Anspruch 55 gelöst.
Demzufolge wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der zu behandelnde Feststoff bei Umgebungsdruck in einen Druckreaktor eingebracht, im Anschluß daran dem Druckreaktor das flüssige Gas unter Druck zugeführt und das so entstandene Gemisch flüssiges Gas/Feststoff nach einer vorgegebenen Verweilzeit explosionsartig in einen Expansionsbehälter entspannt, wobei mindestens zwei Reaktoren zeitlich getötet betrieben werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einem in beliebiger Form vorliegenden Feststoff flüssiges Gas unter Druck zuzuführen und ihn für eine vorgegebene Zeit mit dem flüssigen Gas unter Druck zu behandeln, ohne daß es zu einem Druckabfall -4-
kommt und ohne daß der zu behandelnde Stoff selbst für Abdichtungsfunktionen zur Aufrechterhaltung des Druckes herangezogen wird. Aus diesem Grund muß der zu behandelnde Feststoff zu Beginn des Verfahrens nicht so stark verdichtet werden, daß seine innere Struktur bzw. Morphologie ver.ändert bzw. beeinträchtigt wird. Somit wird eine rasche und gleichmäßige Diffusion des flüssigen Gases unter Druck im zu behandelnden
Feststoff gewährleistet.
Der zu behandelnde Feststoff kann dabei zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere nach einer vorangegangenen Aufbereitung im Sinne einer Zerteilung bzw. Zerkleinerung, bis zu einem gewünschten Schüttgewicht bzw. bis zu einem bestimmten
Kompaktierungsgrad vorverdichtet werden. Auf diese Weise kann die Ausbeute an behandeltem Feststoff pro Raum- und Zeiteinheit den jeweiligen Anforderungen, beispielsweise bezüglich der Apparategröße, angepaßt werden. Hier-bei ist jedoch darauf zu achten, daß der Verdichtungsdruck so niedrig gehalten wird, daß keine Veränderung der inhärenten Feststoffeigenschaften eintritt.
Das erfmdungsgemäße Verfahren kann zur Behandlung von Zellstoff, Stärke, Gelatine, Guar oder Woodchips und ganz allgemein von polysaccharidhaltigen Stoffen, aber auch zur Behandlung von Mineralien wie Silikaten und Zeolithen sowie von thermoplastischen Polymeren angewendet werden. Ammoniak hat sich aufgrund seiner besonders guten Diffusionseigenschaften für die Verwendung als Flüssiggas hervorragend bewährt.
Durch den zeitlich getakteten Betrieb von mindestens zwei Druckreaktoren läßt sich eine quasi-kontinuierliche Behandlung des Feststoffes erreichen, so daß nahezu un-unterbrochen Ausgangsmaterial für die Weiterverarbeitung bereitgestellt wird.
Vorzugsweise wird das bei der explosionsartigen Entspannung freigesetzte Gas zurückgewonnen. Das zurückgewonnene Gas läßt sich anschließend in flüssiger Form erneut dem Prozeß zuführen. Hierdurch wird eine besonders ökonomische Verfahrens-weise ermöglicht, da insgesamt nur ein geringer Teil des eingesetzten Gases, der beispielsweise -5-
durch unvermeidliche Diffusion bzw. Verdampfung in die Umgebung entweicht, ersetzt werden muß.
Der Feststoff kann mit Hilfe von Dosierschnecken in den Druckreaktor eingebracht werden. Durch den Einsatz dieses bekannten, technisch ausgereiften Fördermittels läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zuverlässig ausführen.
Alternativ dazu kann der Feststoff auch durch eine pneumatisch arbeitende Fördereinrichtung in den Druckreaktor eingebracht werden. Mit dieser Maßnahme läßt sich eine besonders rasche und gezielte Zuführung des zu behandelnden Feststoffes erreichen.
Vorzugsweise wird der zu behandelnde Feststoff im Druckreaktor aktiv mit dem verflüssigten Gas vermischt. Dies hat den Vorteil, daß das verflüssigte Gas noch tiefer in den Feststoff eindringt und sich noch homogener in diesem verteilt. Zudem läßt sich durch diese zusätzliche Maßnahme die Verweilzeit der Mischung flüssiges Gas/Feststoff im
Reaktor verkürzen und somit die Durchsatzmenge pro Druckreaktor erhöhen. Diese Vorkehrung ist insbesondere dann angebracht, wenn das verflüssigte Gas nur mäßig gute Diffusionseigenschaften aufweist oder wenn eine besonders hohe Aktivierung des zu behandelnden Feststoffes erwünscht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Öffnen und Verschließen der Reaktoren und/oder die Zuführung des Feststoffes und/oder des verflüssigten Gases automatisch gesteuert. Durch die Kombination der genannten Maßnahmen läßt sich praktisch der gesamte Verfahrensablauf automatisieren, so daß von der Bedienungs-person lediglich Überwachungs- und gegebenenfalls Wartungsaufgaben an der Vorrichtung vorgenommen werden müssen.
Wenn dies gewünscht wird, kann zusammen mit dem verflüssigten Gas unter Druck ein darin gelöster oder dispergierter, fester oder flüssiger Zusatzstoff in den Reaktor eingebracht werden. Auf diese Weise lassen sich dem Feststoff gleichzeitig mit der Behandlung mit dem verflüssigten Gas weiter Stoffe zuführen, beispielsweise um seine Aktivierung weiter zu steigern. Geeigneterweise wird in diesem Fall Ammoniak als Flüssiggas eingesetzt, da sich in diesem zahlreiche Zusatzstoffe gut lösen lassen.
Das verflüssigte Gas wird vorzugsweise vor dem Eintreten in den Reaktor mit dem festen oder flüssigen Zusatzstoff vermischt. Hierdurch läßt sich eine homogene Lösung oder Dispersion aus dem Zusatzstoff und dem verflüssigen Gas herstellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen unter Druck weist mindestens zwei parallel angeordnete Druckreaktoren zur alternierenden Aufnahme eines Feststoffes und eines verflüssigten Gases, die jeweils mit Absperrorganen versehene Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen für den Feststoff sowie jeweils mindestens eine Eintrittsöffnung für das verflüssigte Gas aufweisen, mindestens einen Expansionsbehälter, der mit den jeweiligen Druckreaktoren verbunden ist, und Fördermittel zum Zufuhren des Feststoffes sowie des verflüssigten Gases auf.
Mit der erfmdungsgemäßen Vorrichtung läßt sich ein quasi-kontinuierlicher Betrieb bei der Behandlung eines Feststoffes mit flüssigem Gas unter Druck verwirklichen. Das Innere des Reaktors kann durch die Absperrorgane auf einfache Weise gegen die Umgebung abgedichtet werden, so daß keine komplexen bau- oder verfahrens-technischen
Vorkehrungen für das Aufrechterhalten des Druckes während der Durch-führung des Verfahrens erforderlich sind.
Die Absperrorgane der Druckreaktoren sind vorzugsweise als Kugelventile ausgebildet. Diese haben den Vorteil, technisch ausgereift und erprobt zu sein. Sie können über viele
Millionen Zyklen hinweg verwendet werden, ohne daß Materialermüdungserscheinungen auftreten. Somit müssen die Ventile bei einer angenommenen Zykluszeit von 1 Minute und 8000 Betriebsstunden pro Jahr mehrere Jahre lang nicht ausgewechselt werden. Auch sind Spezialventile aus Keramik oder mit gehärteten Oberflächen im Handel erhältlich, die besonders hohen Belastungen standhalten. -7-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Druckreaktoren als senkrecht stehende Rohrzylinder ausgebildet. Auf diese Weise wird die Befüllung mit zerkleinerten und rieselfähigen Feststoffen erleichtert, da die Schwerkraft hier das Einbringen des Feststoffes unterstützt. Diese Rohrzylinder sind besonders einfach herzustellen, und ihre Anzahl kann in Abhängigkeit von der für die zu behandelnden Feststoffe optimalen Verweilzeit ausgewählt werden. Die Taktfrequenz, und damit die Anzahl der zu verwendenden Rohrzylinder, richtet sich somit nach der Fülldauer jedes Rohrzylinders. Bei einer vorgesehenen Fülldauer von etwa einer Minute kann z.B. mit acht Zylindern, die jeweils ein Fassungsvermögen von 8 kg aufweisen, ein Durchsatz von 2,4
Tonnen/Stunde erreicht werden. Um Materialverluste bei der BefüUung zu vermeiden, kann der Einlaß des Reaktors nach oben trichterförmig erweitert sein.
Je nachdem, ob eine technisch besonders einfache Lösung für die Zuführung des Fest- Stoffes gewünscht wird oder ob vor allem eine hohe Zufuhrgeschwindigkeit benötigt wird, kann zwischen Förderschnecken und pneumatischen Förderern als Fördermittel für den Feststoff gewählt werden.
Wie dies bereits erwähnt wurde, können Mittel zur automatischen Steuerung der Prozeßabläufe, insbesondere des Einbringens des Feststoffes und/oder des verflüssigten
Gases und/oder der getakteten Betätigung der Absperrorgane des Druckreaktors, vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Druckreaktoren mit einer externen Heizung ausgestattet. Hiedurch kann in Verbindung mit einer geeigneten
Regelung eine konstante Temperatur im Inneren jedes Reaktors gewährleistet werden.
Die Reaktoren weisen vorzugsweise jeweils mehrere Öffnungen für die Zuleitung des Flüssiggas auf. Auf diese Weise läßt sich das Flüssiggas besonders fein über den gesamten Reaktorinnenraum und damit über die Feststoffoberfläche verteilen. Im Hinblick auf eine bessere Verteilung des Flüssiggases über den Feststoff bzw. ins Innere desselben können die Reaktoren auch als Mischer ausgebildet sein. In diesem Fall müssen jedoch für eine sichere Abdichtung der Reaktoren technisch aufwendige Vorkehrungen getroffen werden.
Wie dies nachstehend noch näher erläutert wird, kann das Absperrorgan am Einlaß jedes Druckreaktors als Schleusensystem ausgebildet sein. Hierdurch kann die Dichtheit des Reaktors zusätzlich erhöht bzw. abgesichert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat bevorzugt eine Verdichtereinrichtung, die den Feststoff, insbesondere Zellstoff, im Druckreaktor zusammenpreßt. Durch das Verdichten des zerkleinerten Zellstoffs im Druckreaktor werden eine höhere Raum/Zeitausbeute und somit vergleichsweise geringere Apparateabmessungen erreicht. Durch das Verdichten des Feststoffes, z.B. des zerkleinerten Zellstoffes, auf einen vorgegeben Preßdruck bzw.
Füllgrad wird vorteilhaft eine BefüUung des Druckreaktors in relativ engen Grenzen erhalten. Ein aufwendiges und teures gravimetrisches Dosiersystem kann deshalb entfallen.
Die Verdichtereinrichtung hat bevorzugt einen Verdichterkolben, der in einer zylinder- formigen Reaktorkammer (34, 50; 81) oder Dosierkammer bewegbar ist und den Feststoff zusammenpreßt. Mittels des Kolbens wird eine materialschonende Verdichtung der Feststoffmenge erreicht.
Der Verdichterkolben hat bevorzugt einen oder mehrere Kanäle, die sich fluiddurchgängig von einer Unterseite zu einer Oberseite des Verdichterkolbens erstrecken. Durch die
Perforation des Kolbens kann bei der Verdichtung störendes Treibgas aus der Reaktorkammer entweichen und wird ein genau reproduzierbarer Füllgrad des Feststoffs erreicht. Der Verdichterkolben bewegt die verdichtete Feststoffmenge bevorzugt von einer Verdichterkammer in eine Reaktionskammer des Druckreaktors. Dadurch lassen sich extra Mittel für die Beschickung der Reaktionskammer einsparen.
Der Verdichterkolben ist vorzugsweise in einer Position seines möglichen Kolbenhubs arretierbar oder zumindest anhaltbar, wodurch zusätzliche Absperrmittel zur Trennung zwischen Verdichtung und Reaktionsvorgang eingespart werden. Außerdem können hierdurch unterschiedliche Füllstände und Füllvolumina des Feststoffes in der Reaktorkammer realisiert werden.
Vorzugsweise ist eine Feststoffzuführeinrichtung, die den Feststoff einem Druckreaktor oder einer Gruppe von Druckreaktoren zuführt, wobei die Feststoffzuführeinrichtung einen Förderpropeller hat, wodurch eine kontinuierliche Zuführung von Feststoff sichergestellt ist.
Vorzugsweise ist eine Aufbereitungsvorrichtung für den Feststoff vorgesehen, die den Feststoff aufbereitet, bevor er dem Druckreaktor oder den Druckreaktoren zugeführt wird, wodurch die Reaktionszeit im Druckreaktor vermindert wird. Bevorzugt wird hierzu als Aufbereitungseinrichtung eine Heizeinrichtung verwendet, die den Feststoff erwärmt.
Bevorzugt wird ein Wärmeträger-Fluid dem Feststoff zugeführt, das die Heizeinrichtung erwärmt, wodurch eine homogene Erwärmung des Feststoffes bei der Aufbereitung sichergestellt wird.
Bevorzugt wird als Wärmeträger-Fluid flüssiges oder gasförmiges Ammoniak verwendet, wodurch die Aufnahme von flüssigem Ammoniak im Druckreaktor weiter verbessert wird und noch kürzere Reaktionszeiten erreicht werden. -10-
Bevorzugt erwärmt die Heizeinrichtung das Ammoniak auf eine Temperatur von circa 100 °C, wodurch günstige Verhältnisse für die Ammoniak-Aufnahme im Druckreaktor erzeugt werden.
Bevorzugt zirkuliert das Wärmeträger-Fluid in einem Heizkreislauf, wodurch Energie und
Fluidmenge eingespart wird.
Vorzugsweise wird der Feststoff in einer Förderschnecke erwärmt, wodurch eine genaue Einwirkzeit des Wärmeträger-Fluids auf den Feststoff und somit eine konstante und genaue Erwärmung des Feststoffs realisierbar ist.
Das erfmdungsgem.äße Verfahren umfaßt bevorzugt die folgenden Druckreaktorphasen, wobei ein Druckreaktor während einer Befüllphase mit Feststoff beschickt wird, wobei anschließend während einer Verdichtungsphase der Feststoff im Druckreaktor verdichtet wird, wobei dann während einer Reaktionsphase verflüssigtes Gas dem verdichteten Feststoff im Druckreaktor zugeführt wird, wobei ein Flüssiggas/Feststoff-Gemisch erzeugt wird, und wobei dann das Flüssiggas/Feststoff-Gemisch explosionsartig in einen Expansionsbehälter hinein expandiert wird. Durch den Verdichtungsschritt kann gleichsam eine gleichbleibend genaue und aufwandsparende Dosierung des Feststoffes und ein ökonomischer Betrieb aufgrund einer hohen Raum-/Zeitausbeute erreicht werden, wenn mit Verfahren ohne Komprimierungsschritt verglichen wird.
Als verflüssigtes Gas kann z.B. ein Gemisch aus Ammoniak und Harnstoff dem Zellstoff im Druckreaktor zugeführt werden, um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Druckreaktor CeHulosecarbamat herzustellen.
Noch vor der Reaktionsphase können die Befüllphase und die nachfolgende Verdichtungsphase des Feststoffes in dem Druckreaktor einmal oder mehrmals wiederholt -11-
werden, um einen vorgegebenen Verdichtungsgrad und/oder Füllstand des Feststoffs im Druckreaktor zu erreichen.
Während der Verdichtungsphase können ein Verdichtungshub oder mehrere aufeinanderfolgende Verdichtungshübe eines Verdichterkolbens des Druckreaktors ausgeführt werden, um den erwünschten Füllgrad zu erreichen.
Mehrere Druckreaktoren können gleichzeitig versetzt in den vorstehend genannten Phasen betrieben werden, um ein quasi-kontinuierliches Verfahren mit hoher Ausbeute zu erhalten.
Der erfindungsgemäße Druckreaktor zur Behandlung eines Feststoffs, insbesondere Zellstoff, mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, insbesondere flüssigem Ammoniak, gegebenenfalls mit Harnstoff, unter Druck, umfaßt eine Verdichtereinrichtung, die den in den Druckreaktor eingefüllten Feststoff zusammenpreßt, um ihn zu verdichten, wodurch die bereits oben stehend erläuterten Vorteile erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung eines Feststoffs, insbesondere Zellstoff, mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, insbesondere flüssigem Ammoniak, unter Druck, wird mit folgenden Schritten durchgeführt: ein Druckreaktor wird während einer Befüllphase mit Feststoff beschickt, anschließend wird während einer Verdichtungsphase der Feststoff im Druckreaktor verdichtet, dann wird während einer Reaktionsphase das Gas oder die Flüssigkeit dem verdichteten
Feststoff im Druckreaktor zugeführt, wobei ein Flüssigkeit/Feststoff-Gemisch oder Gas/Feststoff-Gemisch erzeugt wird, und dann wird das Gemisch explosionsartig in einen Expansionsbehälter hinein expandiert.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. -12-
Weitere Vorteile, vorteilhafte Weiterbildungen und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Figur 1 ein Fließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Figur 1 , mit einem Druckreaktor mit Dosierwage;
Figur 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung von Figur 2;
Figur 4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Figur 2; Figur 5 eine schematisch Ansicht des erfindungsgemäßen Druckreaktor gemäß einer ersten Ausführungsform zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 6 eine schematische Ansicht des Druckreaktors nach Figur 5 zur Erläuterung einer
Befüllphase des Druckreaktors;
Figur 7 eine schematische Ansicht des Druckreaktors nach Figur 5 zur Erläuterung einer Verdichtungsphase des Druckreaktors;
Figur 8 eine schematische Ansicht des Druckreaktors nach Figur 5 zur Erläuterung einer
Ausstoßphase des Druckreaktors;
Figur 9 eine schematische Ansicht einer Feststoffaufbereitungs- und
Feststoffzuführeinrichtung zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 10 eine schematische Ansicht einer alternativen Feststoffaufbereitungs- und
Feststoffzuführeinrichtung zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 11 eine schematisch Ansicht einer Zuführeinrichtung zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 12 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Druckreaktors zur Verwendung in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
Figur 13 eine schematische und perspektivische Ansicht einer Druckreaktorgruppe mit vier Druckreaktoren gemäß Figur 12 zur Verwendung in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung; und -13-
Figur 14 eine schematische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Druckreaktorgruppe nach Figur 13.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, wird den Druckreaktoren 10 (hier fünf parallele Reaktoren) über ein Fördermittel 22 nacheinander der zu behandelnde Feststoff, beispielsweise
Zellstoff, zugeführt. Nach ihrer jeweiligen BefüUung werden die Druckreaktoren 10 an ihrem Eingang verschlossen. Flüssiges Gas, hier flüssiger Ammoniak, wird mittels eines Fördermittels 18 und einer Pumpe 24 einem Mischer 16 zugeführt. Dem Mischer wird hier außerdem über ein Fördermittel 20 ein Zusatzstoff, z.B. Harnstoff, zugeleitet, der mit dem flüssigen Ammoniak vermischt wird. Vom Mischer 16 aus gelangt das NH3/Harnstoff-
Gemisch über geeignete Fördermittel zu den Druckreaktoren 10. Nach einer bestimmten Verweilzeit, während der sich das NH3/Harnstoff-Gemisch mit dem in den Druckreaktoren 10 befindlichen Zellstoff vermischt, wird das Absperrorgan 12 am Ausgang jedes Druckreaktors 10 geöffnet, so daß sich das in dem Druckreaktor befindliche NH3/Harnstoff-/Zellstoff-Gemisch explosionsartig in den Entspannungsbehälter 14 entspannt. Das dabei freiwerdende gasförmige NH3 wird zur Rückgewinnung geeigneten Wäschern und Kondensatoren zugeführt. Vom Ausgang des Entspannungsbehälters kann nun der aktivierte Zellstoff abgeführt werden.
Wie man sieht, besteht das Kernstück der Anlage aus den Druckreaktoren 10, welche senkrecht stehend oben und unten je ein Absperrorgan 11 bzw.12, die beispielsweise als Ventile ausgebildet sein können, aufweisen. Hierdurch wird zum einen die einfache BefüUung mit dem zu behandelnden Feststoff, zum anderen die schnelle Entspannung nach der Behandlung mit dem flüssigen Gas unter Druck ermöglicht. Für die Zuleitung des verflüssigten Gases sind hier jeweils drei Öffnungen 13 vorgesehen, so daß eine gleichmäßige Durchdringung des zu behandelnden Feststoffes gewährleistet ist.
Für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jede Art von Absperrorgan, das eine Druckfestigkeit von bis zu ca. 40 bar aufweist, geeignet, z.B. Kugelhähne, Segmentkugelhähne, Klappen, Drehschieber oder ähnliches. -14-
Auch sogenannte Schleusensysteme, d.h. zwei in einem Tandem angeordnete Kugelhähne, können als Absperrorgane verwendet werden. Der erste Kugelhahn steht dabei jeweils mit dem Produkt in Kontakt (und verliert dadurch möglicherweise im Laufe der Zeit seine Druckstabilität), wohingegen der zweite Kugelhahn nicht mit dem Produkt in Berührung kommt und daher eine geringere Leckrate aufweisen sollte. Weiter ist es möglich, den Druckreaktor 10 als Mischer auszubilden. In diesem Fall sind die Absperrorgane am Einlaß und Auslaß so auszulegen, daß durch die Rotation der Mischeinrichtung die Dichtheit des Reaktors nicht gefährdet wird.
Der Druckreaktor 10 ist mit einer (nicht gezeigten) externen Heizung ausgestattet, die eine erhöhte Temperatur im Druckreaktor 10 ermöglicht und darüber hinaus den Temperaturabfall nach der Schnellentspannung in den Expansionsbehälter 14 kom-pensiert.
Die BefüUung des Druckreaktors 10 mit dem Feststoff erfolgt zweckmäßigerweise über
Dosierwagen und Dosierschnecken, wobei die Zeitspanne für den Befüllvorgang möglichst kurz zu halten ist. Aufgrund der höheren Förderleistung kann eine technisch aufwendigere, pneumatisch arbeitende Befülleinrichtung mit entsprechenden Weichen zur gezielten Zuführung des Feststoffes bevorzugt werden. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß eine genaue Dosierung der geförderten Feststoffmenge gewährleistet ist. Zudem muß der
Transport des Feststoffes in einen Vorlagebehälter, z.B. durch Schneckenförderer, der Abschluß dieses Vorlagebehälters gegenüber der Atmosphäre und eine Versorgung mit komprimiertem Ammoniakgas zur pneumatischen Förderung sichergestellt sein.
In den Figuren 2 bis 4 sind die Hauptelemente der erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Durchführung des geschilderten Verfahrens in verschiedenen Ansichten dargestellt.
Die einzelnen Behälter sind in geeigneter Weise auf einer Tragkonstruktion, vorzugsweise aus Stahl, befestigt und umfassen die Druckreaktoren 10 (in den Figuren 2 bis 4 ist nur ein einziger sichtbar), den Expansionsbehälter 14, Wäscher 26 und einen Absorber 28 zur -15-
Rückgewinnung des Ammoniaks. Die Stahlkonstruktion ist zweckmäßigerweise begehbar. Zusatzaggregate, wie z.B. Pumpen, Kühlerkompres-soren sind unterhalb der Anlage angeordnet. Die Steuerung, Regeleinheiten und der Rechner sind hier nicht gezeigt. Diese Elemente können von der Anlage getrennt, beispielsweise in einem Nebenraum, untergebracht sein. Auf diese Weise muß sich die Bedienungsperson zur Überwachung des
Verfahrens nicht in der unmittelbaren Umgebung der Anlage aufhalten und ist so besser vor erhöhter Lärmbelastung geschützt.
Der Expansionsbehälter 14 besteht aus drei miteinander verschraubten Teilen mit hier ca. 900 L Inhalt. In Figur 2 ist rechts oberhalb des Expansionsbehälters 14 die Aufnahme für den Explosionskugelhahn und der daran angebaute Druckreaktor 10 dargestellt. Auf der linken Seite oberhalb des Expansionsbehälters 14 ist ein Gestell befestigt, auf dem eine Zellstoffdosierwage 23 angebracht ist. Der untere Teil des Expansionsbehälters 14 ist zu seinem Ende hin konisch verjüngt. Hier befindet sich eine Absperrklappe zum Ausbringen des Zellstoffes. Ein Schiebersystem mit einer Silikonabdichtung gewährleistet, daß beim
Entleeren des behandelten Zellstoffs kein Ammoniak aus dem Expansionsbehälter 14 entweichen kann.
Im oberen Teil des Expansionsbehälters 14 ist ein herausnehmbarer Siebboden vorgesehen, damit kein Zellstoff in den Absorber 28 gelangt. Vor und hinter dem Siebboden ist je ein Druckmeßgerät angebracht, durch welche die Druckdifferenz ermittelt wird. Ein Ansteigen der Druckdifferenz signalisiert der Bedienungsperson eine Verstopfung des Siebes.
.Am oberen Ende des Expansionsbehälters 14 sind zwei Rohrstutzen eingefügt, mit denen jeweils eine zum Absorber 28 führende Rohrleitung verbunden ist. Die vom
Expansionsbehälter kommenden Rohrleitungen werden über Tauchrohre in das Innere des Absorbers 28 geleitet. Der Absorber weist hier ein Fassungsvermögen von etwa 680 Liter auf und ist in üblicher Weise mit einem Füllstandsschauglas versehen, damit festgestellt werden kann, wieweit die Tauchrohre in das im Absorber befindliche Wasser hineinragen. -16-
Darüber hinaus kann der Absorber 28 eine elektrische Füllstandssonde sowie einen Temperaturfühler aufweisen. Am Boden des Absorbers 28 sind mehrere Auslässe vorgesehen, von denen zwei über eine Pumpe mit einem Durchlaufkühler mit Durchflußmesser verbunden sind, um das Absorber- wasser im Kreis zu fahren und es auf einer Temperatur von etwa 20°C zu halten. Über einen obenliegenden Anschluß kann manuell Frischwasser zugeführt werden, um verbrauchtes Wasser zu ersetzen. Das verbrauchte Wasser wird über einen dritten Stutzen am Boden von Hand abgelassen. Über die zwei oberen nach hinten gerichteten Abluftstutzen des Absorbers ist dieser durch Flanschanschlüsse mit den Wäschern 26, die im vorliegenden Fall einen Rauminhalt von jeweils etwa 40 Liter aufweisen, verbunden.
Die vom Absorber geführte Luft wird in den Wäschern 26 vorgewaschen, bevor sie in die Atmosphäre geleitet wird. Die Wäsche der Abluft erfolgt in bekannter Weise über Sprühdüsen, die über einen Umlaufkühler mit Nachfüllautomatik versorgt werden.
Das für das Verfahren benötigte Gas wird in einem Vorratsbehälter, z.B. einer .Ammoniakflasche gelagert, der auf einer Dosierwage angeordnet und mit einem Regelgerät verbunden ist.
Der Reaktor hat im vorliegenden Fall ein Volumen von etwa 1 ,2 Liter und wird auf zwei gegenüberliegenden Seiten in der vollen Baulänge mittels eines Wärmetauschers auf eine gewünschte Temperatur geheizt. Wird als flüssiges Gas Ammoniak verwendet, so hat sich eine Reaktortemperatur von etwa 80°C als besonders geeignet erwiesen.
Zusätzlich können ein Chemie-Manometer in der Hauptleitung zur Kontrolle des Druckes des flüssigen Gases, ein Ventil zum Entlüften des Absorbers sowie ein oder mehrere Sicherheitsventile an geeigneter Stelle vorgesehen sein. Für das Einbringen des verflüssigten Gases in den Reaktor 10 werden vorzugsweise Feindosierventile ver- wendet. -17-
Die Zellstoffdosierwage 23 steht über dem Expansionsbehälter 14 und ist mit einem Vorratsbehälter und einer Doppelschnecke ausgerüstet. Sie wird über eine SPS-Steuerung und das bereits erwähnte Regelgerät gesteuert.
Die Kugelhähne, Absperrklappen, Feindosierventile und die übrigen Ventile werden über die SPS-Steuerung, die mit einem Rechner verbunden ist, pneumatisch gesteuert. Sie weisen in üblicher Weise Stellungsmelder für die SPS-Steuerung auf. Der Druck auf die Pneumatikventile wird durch einen Kompressor konstant gehalten. Die Steuerung besteht aus zwei Steuer- und Regelkreisen, der SPS-Steuerung (z.B. Sematic Step 5) und einem Rechner mit Intouch-Software als Benutzeroberfläche. Über die Eingabeeinheit des
Rechners erfolgt außerdem die Bedienung der gesamten .Anlage. Des weiteren sind geeignete Anzeigeeinrichtungen vorhanden, über die unter anderem alle Alarme angezeigt werden.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung zur Verfügung gestellt, gemäß dem flüssiges Gas, vorzugsweise flüssiger Ammoniak, unter Druck einem Feststoff gleich in welcher Form zugeführt werden kann. Dieser Feststoff wird mit dem flüssigen Ammoniak unter Druck über eine vorbestimmte Zeitdauer hinweg in Kontakt gehalten, ohne daß es zu einem Druckabfall im Reaktor kommt und ohne daß der zu behandelnde Stoff selbst zur Aufrechterhaltung des Druckes herangezogen werden muß, da der Reaktor bei Umgebungsdruck befüllt wird. Aus diesem Grund wird die Morphologie des zu behandelnden Feststoffes nicht verändert oder beeinträchtigt. Zudem gewährleistet die schnelle und gleichmäßige Diffusion des flüssigen Ammoni.aks unter Druck eine homogene Verteilung desselben in dem zu behandelnden Feststoff und somit im Ergebnis eine gleichmäßige Aktivierung des Feststoffes.
Das erfmdungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens angegebene Vorrichtung eignet sich besonders zur Behandlung von Zellstoff, Stärke, Gelatine, Guar oder Holzschnipseln und ganz allgemein von polysaccharidhaltigen Stoffen. Des weiteren -18-
ist beispielsweise eine Anwendung mit Mineralien, wie z.B. Silikaten und Zeolithen, sowie gegebenenfalls thermoplastischen Polymeren als Feststoff möglich.
In der Figur 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Druckreaktor gemäß einer ersten Ausfuhrungsform zur Verwendung in der erfmdungsgemäßen Vorrichtung gezeigt.
Der Druckreaktor 30 umfaßt eine Verdichtereinrichtung, einen Druckreaktorbehälter 31, mindestens einen Feststoffeinlaß 36 und mindestens einen Fördermittelauslaß 37 für ein Feststoff-Fördermittel und ist zumindest in einen Verdichtungsabschnitt 32 und einen Reaktionsabschnitt 33 funktionsmäßig unterteilt, wobei die beiden Abschnitte mittels einer
Trenneinrichtung, z.B. einem Kugelhahn, einer Klappe oder einer Schleuse, voneinander trennbar sind.
Der Druckreaktorbehälter 31 ist von im wesentlicher zylindrischer Form und ist vertikal angeordnet. Im oberen Bereich hat der Druckreaktorbehälter 31 den Verdichtungsabschnitt
32 und im unteren Bereich den Reaktionsabschnitt 33, der sich an den Verdichtungsabschnitt 32 anschließt.
Der Verdichtungsabschnitt 32 umfaßt im wesentlichen eine Verdichtungskammer 34, eine Verdichtereinrichtung 35, den Feststoffeinlaß 36, durch den Feststoff in die
Verdichterkammer 34 zuführbar ist, und einen Fördermittelauslaß 37, über den ein Fördermittel, z.B. Gas, Luft oder Stickstoff oder ähnliches mit dem der Feststoff über den Feststoffeinlaß 36 in die Verdichterkammer beschickt wird, aus der Verdichterkammer 34 wieder entfernt wird.
Die Verdichtereinrichtung 35 umfaßt einen Verdichter 38 und eine Verdichterantriebseinrichtung 42, die mit dem Verdichter 38 gekoppelt ist und den Verdichter 38 antreibt. Der Verdichter 38 verdichtet bzw. komprimiert oder presst den Feststoff, der z.B. als torn pulp, also als relativ grob gerissener Zellstoff vorliegt, in der Verdichterkammer 34 des Druckreaktors 30 zusammen. -19-
Der in der Figur 5 dargestellte Verdichter 38 umfaßt einen Verdichterkolben 39 und eine Verdichterstange 40, die mit dem Verdichterkolben 39 verbunden ist. Der Verdichterkolben 39 paßt vom Durchmesser her zum Querschnitts-Innendurchmesser der Verdichterkammer 34 des Reaktorbehälters 31 und ist vertikal innerhalb der Verdichterkammer 34 und auch bis in eine Reaktionskammer 50 des Reaktionsabschnitts 33 aufwärts und abwärts bewegbar angeordnet. Der Verdichterkolben 39 hat eine Oberseite und eine Unterseite, wobei die Oberseite zum Fördermittelauslaß 37 hinweist und die Unterseite zu einem Expansionsbehälter 89 hinweist. Zwischen der Oberseite und der Unterseite des Verdichterkolbens 39 erstrecken sich mehrere fluid-durchgängige Kanäle, die eine fluid- durchgängige Verbindung für das gasförmige Fördermittel von der Unterseite zur Oberseite des Verdichterkolbens 39 zu dem Fördermittelauslaß 37 bereitstellen.
An der Oberseite des Verdichterkolbens 39 ist die Verdichterstange 40 angebracht, die wiederum von der Verdichterantriebseinrichtung 42 bewegt wird und ihre Bewegung auf dem Verdichterkolben 39 umsetzt. Die Verdichterantriebseinrichtung 42 umfaßt einen Pneumatikzylinder, der mit einem entsprechenden Pneumatiksystem verbunden ist. Die Verdichterantriebseinrichtung 42 kann jedoch auch als hydraulisches System ausgelegt sein, oder als mechanisches von einem Elektromotor angetriebenes System aufgebaut sein.
In der Figur 5 ist der Verdichterkolben 39 in seiner Ausgangsposition bzw. Ruheposition A eingezeichnet, die er im allgemeinen einnimmt, wenn die Verdichterkammer 34 über den Feststoffeinlaß 36 mit Feststoff beschickt wird. Die Ruheposition A des Verdichterkolbens 39 entspricht im allgemeinen der vertikal gesehenen obersten Position, die der Verdichterkolben 39 einnehmen kann.
An der Verdichterkammer 34 ist eine Sensoreinrichtung 43 angeordnet, die zum
Überprüfen eines Verdichtungsgrades bzw. der Dichte des Feststoffes beim
Verdichtungsvorgang und/oder des Füllstands des Feststoffes in der Verdichterkammer 34 vorgesehen ist. Die Sensoreinrichtung 43 hat einen oder mehrere Sensoren, die z.B. auf -20-
lichtoptischen oder radioaktiven Prinzipien beruhen. Als Sensor kann z.B. ein ß-Sensor mit entsprechendem Detektor verwendet werden.
Der Feststoffeinlaß 36 ist mit einem Feststoff-Transportsystem bzw. einer Festste ff- Fördereinrichtung durchgängig verbunden, die den Feststoff dem Druckreaktor 30 zuführt.
Als Feststoff wird hier beispielhaft Zellstoff in der Form des Torn Pulp verwendet. Es kann aber auch Guar Splits oder ein anderer granulärer Feststoff oder ein Feststoffgemisch verwendet werden. Die Feststoff-Fördereinrichtung fordert den Zellstoff bzw. Feststoff pneumatisch, also unter Verwendung von Luft oder Stickstoff oder einem ähnlichen Gas als Fördermittel. Das Fördermittel, das beim Befüllen der Verdichterkammer 34 über den
Feststoffeinlaß 36 in die Verdichterkammer 34 zusammen mit dem Feststoff gelangt, entweicht über den Fördermittelauslaß 37 aus der Verdichterkammer 34 bzw. dem Druckreaktorinneren. Der Fördermittelauslaß 37 ist hierzu fluid-gängig mit einer Rückführeinrichtung 96 (vgl. Figur 14) gekoppelt, die das Fördermittel, also z.B. Luft, aus dem Inneren bzw. der Reaktorkammer des Druckreaktors 30 wieder in die Zellstoff-
Fördereinrichtung zurückführt, um einen geschlossenen Fördermittel-Kreislauf einzurichten.
Zwischen dem Verdichtungsabschnitt 32 und dem Reaktionsabschnitt 33 des Druckreaktors 30 ist eine Absperreinrichtung 53 oder Trenneinrichtung vorgesehen, die in einer geöffneten
Stellung eine fluidgängige und feststoffgängige Verbindung zwischen dem Verdichtungsabschnitt 32 und dem Reaktionsabschnitt 33 des Druckreaktors 30 ermöglicht und in einer geschlossenen Stellung den Verdichtungsabschnitt 32 vom Reaktionsabschnitt 33 undurchlässig abtrennt. Die Absperreinrichtung 53 ist in der Figur 5 schematisch als Kugelhahn angedeutet. Sie kann aber auch als klappbare Verschlußeinrichtung oder z.B. als
Schleuseinrichtung oder Doppelschleuseinrichtung oder ähnliches ausgelegt sein, um jedenfalls eine sichere Trennung zwischen dem Verdichtungsabschnitt 32 und dem Reaktionsabschnitt 33 herzustellen. -21-
Der Reaktionsabschnitt 33 des Druckreaktors 30 hat eine zylindrische Reaktionskammer 50, deren lichter Innendurchmesser dem Durchmesser der Verdichterkammer 34 entspricht. In der Wandung der Reaktionskammer 50 sind mehrere Ammoniakeinlässe 51 ausgebildet, durch die flüssiges Ammoniak der Reaktionskammer 50 zuführbar ist. Mehrere Ammoniakeinlässe 51 , in der Figur 5 sind konkret drei eingezeichnet, sind vorgesehen, um eine homogene Beschickung der Reaktionskammer 50 bei Zellstoffbefüllung sicherzustellen. In oder an der Wand der Reaktionskammer 50 ist eine Heizeinrichtung 44 angeordnet. Wie gesagt, ist die Reaktionskammer 50 nach oben hin durch den Kugelhahn absperrbar bzw. zugänglich und nach unten hin, also zur Expansionskammer 89 hin, durch eine weitere Absperreinrichtung 54, z.B. einen Kugelhahn, eine Klappschleuse oder ähnliches, absperrbar oder offenbar, um ein Expandieren des Zellstoff- Ammoniakgemisches der Reaktionskammer 50 in die Expansionskammer bei geöffnetem Kugelhahn zu ermöglichen. Die Reaktionskammer 50 ist damit von der Expansionskammer 89 abgetrennt, wenn die Absperreinrichtung 54 geschlossen ist, oder fluid-gängig bzw. feststoff-gängig mit der Expansionskammer verbunden, wenn die Absperreinrichtung 54 geöffnet ist.
Nachfolgend wird die Funktion des Druckreaktors der Figur 5 anhand der Figuren 6, 7 und 8 erläutert, die verschiedene Phasen oder Takte der Druckreaktorfunktion zeigen, um das erfindungsgemäße Verfahren zu beschreiben. So wird in der Figur 6 eine Befüllungsphase gezeigt, bei der der Verdichterkolben 39 in seiner obersten Position innerhalb der Verdichterkammer 34 ist, d.h. in einer Ruheposition A ist. Die Figur 7 zeigt eine typische Verdichtungsphase, bei der der Verdichterkolben 39 die Feststoffmenge in der Verdichterkammer 34 verdichtet bzw. zusammendrückt. Schließlich zeigt die Figur 8 eine Ausstoßphase, bei der nach vollendeter BefüUung und Verdichtung des Feststoffes im
Druckre.aktor 30 der Verdichterkolben 39 die verdichtete Feststoffmenge von der Verdichterkammer 34 durch die geöffnete Absperreinrichtung 53 in die Reaktionskammer 50 des Druckreaktors 30 schiebt, wobei sich der Verdichterkolben 39 in einer Ausstoßposition C für die verdichtete Feststoffmenge von der Verdichterkammer 34 in die Reaktionskammer 50 befindet. -22-
Wie in der Figur 6 gezeigt ist, befindet sich zu Beginn eines Befüllungsvorgangs des Druckreaktors 30, der Verdichterkolben 39 in seiner Ruheposition A bzw. zurückgezogenen Position A, während die Feststoffzuführeinrichtung über eine geöffnete Zuführklappe 52 und den Feststoffeinlaß 36 die Verdichterkammer 34 des Druckreaktors 30 mit Feststoff, hier Zellstoff in der Form von Tornpulp beschickt, wobei als Fördermittel Druckluft verwendet wird. Die in die Verdichterkammer 34 beim Befüllen gelangte Luft entweicht durch die Kanäle 41 bzw. die Perforation des Verdichterkolbens 39 zu dem oben liegenden Fördermittelauslaß 37 in den Fördermittelkreislauf. Während der BefüUung ist die Absperreinrichtung 53 des Druckreaktors 30 geschlossen. Während der Befüllungsphase werden von einer zentralen Steuereinrichtung ständig die Sensorsignale von der Sensoreinrichtung 43 überwacht. Da die Sensorsignale ein Maß für die Fülldichte bzw. Dichte oder den Füllgrad des Feststoffs oder des Zellstoffes in der Verdichterkammer 34 sind, kann die zentrale Steuereinrichtung, z.B. ein programmierter Computer, feststellen, wann ein vorgegebener, bestimmter Ausgangsfüllgrad bzw. eine Ausgangsdichte des
Feststoffs in der Verdichterkammer 34 gegeben ist. Die Feststoffzuführeinrichtung führt nun solange Feststoff bzw. Zellulose der Verdichterkammer 34 kontinuierlich zu, bis die zentrale Steuereinrichtung einen entsprechenden vorgegebenen Ausgangsfüllgrad feststellt.
Anschließend stoppt die zentrale Steuereinrichtung die Feststoffzuführeinrichtung, schließt die Zuführklappe 52 oder ein entsprechendes Absperrorgan und steuert die Verdichterantriebseinrichtung 42 an, einen Verdichtungshub auszuführen, bei dem die Verdichterstange 40 und damit auch der Verdichterkolben 39 aus der Position A nach unten bzw. abwärts bewegt werden, um den Feststoff in der Verdichterkammer 34 zu verdichten bzw. zusammen zu drücken, wie in der Figur 7 gezeigt ist, wobei der Verdichterkolben z.B. eine Verdichtungsposition B einnimmt. Die Verdichtungsphase wird wiederum von der zentralen Steuereinrichtung über die Auswertung der Sensorsignale der Sensoreinrichtung 43 überwacht. Stellt die zentrale Steuereinrichtung aufgrund der Sensorsignale von der Sensoreinrichtung 43 fest, daß während des Verdichtungshubs ein Zielfüllgrad bzw. eine -23-
Zielfülldichte, die vorgegeben ist, erreicht wird, hält die Steuereinrichtung die Verdichterantriebseinrichtung 42 an, um die Verdichtungsphase anzuhalten.
Anschließend öffnet die zentrale Steuereinrichtung die Absperreinrichtung 53 bei gleichzeitig geschlossener Absperreinrichtung 54 und steuert wiederum die
.Antriebseinrichtung 42 für eine Fortsetzung der Abwärtsbewegung des Verdichterkolbens 39 an, um in einer Ausstoßphase die verdichtete Zellstoffmenge in der Verdichterkammer 34 in die Reaktionskammer 50 auszubringen. Dies ist in der Figur 8 gezeigt, wobei während der Ausstoßphase der Verdichterkolben 39 z.B. die eingezeichnete Ausstoßposition C einnimmt. In der Ausstoßphase wird die verdichtete Füllstoffmenge im wesentlichen ohne weitere Verdichtung in die Reaktionskammer 50 durch den Verdichterkolben 39 verbracht.
Hat der Verdichterkolben 39 die Reaktionskammer 50 mit Feststoff befüllt, wartet die zentrale Steuereinrichtung darauf, bis sich der Verdichterkolben 39 wieder in seiner Ruheposition A befindet, was z.B. über Bewegungs- bzw. Wegsensoren an der
Verdichterstange 40 überwacht werden kann. Nachdem der Verdichterkolben 39 wieder seine Ruheposition A erreicht hat, schließt nun die zentrale Steuereinrichtung über entsprechende elektrische Signale und Stelleinrichtungen die Absperreinrichtung 53, wodurch die Reaktionskammer 50 hermetisch von der Verdichterkammer 34 abgetrennt wird. Die zentrale Steuereinrichtung läßt nun über die Ammoniakeinlässe 51 flüssiges
Ammoniak unter Druck über entsprechende Ventile und Stellglieder in die Reaktionskammer 50 einströmen, wodurch das erwünschte Feststo f/ Ammoniak-Gemisch in der Reaktionskammer 50 des Druckreaktors 30 erzeugt wird. Gleichzeitig zur Schließung der Absperreinrichtung 53 steuert die zentrale Steuereinrichtung die Feststoffzuführeinrichtung an und öffnet die Zuführklappe 52, um eine weitere
Befüllungsphase der Verdichterkammer 34 einzuleiten. Die Reaktionsphase in der Reaktionskammer 50 und Befüllungsphase der Verdichterkammer 34 werden somit gleichzeitig bzw. parallel ausgeführt. Nach Ablauf der Reaktionsphase wird, wie oben stehend ausführlich erläutert wurde, die Absperreinrichtung 54 geöffnet, wodurch das -24-
Ammoniak Feststoff-Gemisch aus der Reaktionskammer 50 in die darunter liegende Expansionskammer explosionsartig expandiert.
Wird während der Verdichtungsphase (vgl. Figur 7) nicht der vorgegebene Verdichtungsgrad des Feststoffs in der Verdichterkammer 34 erhalten, was die zentrale
Steuereinrichtung durch die Auswertung der Sensorsignale von der Sensoreinrichtung 43 feststellt, wird der Verdichtungskolben 39 zurück in seine Ruheposition A bzw. in seinen oberen Totpunkt gebracht. Der abwärts gerichtete Verdichtungshub wird wiederholt. Wird trotz einmaliger oder mehrmaliger Wiederholung des Verdichtungshubes keiner der vorgegebenen Zielverdichtungsgrade erreicht, wird eine weitere Befüllungsphase, wie zuvor bezüglich der Figur 6 erläutert wurde, durchgeführt. Diese Zwischenbefüllungsphase oder zusätzliche oder ergänzende Befüllungsphase findet z.B. derart statt, daß nur eine relativ geringe Menge von Festsstoff in die Verdichterkammer 34 von der Feststoffzuführeinrichtung bei geöffneter Klappe 52 zugeführt wird. Diese geringe Füllstoffmenge kann von der zentralen Steuereinrichtung über eine kurzzeitige oder kurzphasige Öffnung der Klappe 52 bei aktiver Feststoffzuführeinrichtung ohne Berücksichtigung der Sensorsignale von der Sensoreinrichtung 43 bewerkstelligt werden. Nach der Zwischenbefüllungsphase leitet die zentrale Steuereinrichtung wieder eine Verdichtungsphase (vgl. Figur 7) ein, um den Zielverdichtungsgrad des eingefüllten Feststoffs zu erhalten. Bei der erneuten Verdichtungsphase können wiederum mehrere Verdichtungshübe des Verdichterkolbens 39 durchgeführt werden, bis der Zielverdichtungsgrad erreicht ist und das Verfahren mit der Ausstoß- und Reaktionsphase fortgesetzt werden kann.
Sollte trotz ergänzender Verdichtungsphase der Zielverdichtungsgrad des Feststoffs in der
Verdichterkammer 34 nicht erreicht werden, führt die zentrale Steuereinrichtung wiederholt ergänzende Befüllungsphasen und Verdichtungsphasen durch, bis der Zielverdichtungsgrad erreicht ist, und das Verfahren mit den oben erläuterten Ausstoß-, Reaktions- und Expansionsphasen fortgesetzt werden kann. -25-
Nachfolgend wird eine Feststoff-Zuführeinrichtung mit einer Aufbereitungsstufe für den Feststoff, d.h. im vorliegenden Beispiel für Zellstoff, auf der Basis der Figur 9 beschrieben.
Die in der Figur 9 gezeigte Feststoff-Aufbereitungs- und -Zuführeinrichtung umfaßt im wesentlichen eine Heizstufe mit nachfolgender Zerkleinerungsstufe, wobei in der Heizstufe ein Gas oder eine Flüssigkeit dem Feststoff bzw. Zellstoff zugeführt wird, um den Feststoff bzw. Zellstoff für die weitere Verarbeitung aufzubereiten und den Zellstoff für die Aufnahme im Druckreaktor von ungeheiztem flüssigem Ammoniak reaktiver einzustellen.
Die Heizstufe umfaßt eine Förderschnecke 63, der eingangsseitig über eine
Zellenradschleuse 62 aus einem Zellstoff-Vorrat 60 über einen Trichter 61 z.B. Zellstoff oder Hackschnitzel zugeführt wird, wobei der Zellstoff in relativ grober Form vorliegt. Die Heizstufe umfaßt weiterhin eine Heizeinrichtung 73 und eine Pumpe 72, die in einem Heizkreislauf 66 angeordnet sind, in dem sich auch die Förderschnecke 63 zumindest für eine gewisse Teilstrecke befindet. Der Heizkreislauf 66 ist weiterhin über entsprechende
Zuführeinrichtungen wie Rohre, Ventile usw. mit einem Ammoniak-Vorrat 74 fluid-gängig verbunden, wobei aus dem Ammoniak-Vorrat 74 flüssiges oder gasförmiges Ammoniak in den Heizkreislauf 66 zuführbar ist. Die Pumpe 72 wälzt das gasförmige bzw. flüssige Ammoniak im Heizkreislauf 66 um. Die Heizeinrichtung 73 heizt das Ammoniak auf eine Temperatur von etwa 100°C auf, das dem Zellstoff in der Förderschnecke 63 zugeführt wird, um den Zellstoff für die weitere Verarbeitung aufzubereiten. Das Ammoniak-Gas bzw. das flüssige Ammoniak wirkt in der Förderschnecke 63 auf den Zellstoff entlang einer Einwirkstrecke während einer vorgegebenen Einwirkzeit ein.
Der Heizstufe folgt die Zerkleinerungsstufe nach, die aus einem Zerkleinerer 64, z.B. einem
Shredder oder Crusher für Hackschnitzel und einer nachfolgenden Siebeinrichtung 65 besteht, in der zu grober Feststoff bzw. Zellstoff ausgesiebt wird und über eine Feststoff- Rückführung 71 dem Zerkleinerer 64 eingangsseitig wieder zugeführt wird. Der wie vorgesehen feine Zellstoff passiert die Siebeinrichtung 65 und kann dann über eine weitere Zuführung bzw. weitere Feststoff-Zuführeinrichtung, wie sie weiter unten stehend erläutert -26- wird, z.B. dem Druckreaktor 30 oder verteilt einer Druckreaktorgruppe, die aus mehreren Druckreaktoren 30 besteht, zugeführt werden.
Durch die Aufbereitung in der Heizstufe wird der Feststoff bzw. Zellstoff für die spätere Aufnahme von flüssigem Ammoniak im Druckreaktor 30 reaktiver eingestellt, wodurch die
Verweilzeit oder Taktzeit während der Reaktionsphase von Zellstoff von Ammoniak im Druckreaktor vermindert werden kann und dadurch die Ausbeuterate im Gesamtverfahren erhöht werden kann. Durch die weitere Zerkleinerung des Feststoffs bzw. des Zellstoffs und nachfolgende Siebung in der Zerkleinerungsstufe wird ermöglicht, daß dem Druckreaktor 30 Zellstoff mit verbesserter Homogenität und vergrößerter Reaktionsoberfläche bereitgestellt wird, wodurch die Reaktionsphase in dem Druckreaktor weiter verkürzt wird und dementsprechend die Ausbeuterate des Gesamtverfahrens erhöht wird bzw. die Taktzeiten des quasi kontnuierlichen Herstellungsverfahrens der Erfindung verkürzt werden können.
In der Figur 10 ist eine ergänzte bzw. alternative Ausführungsform der Festste ff- Aufbereitungs- und Zerkleinerungseinrichtung der Figur 9 wiederum schematisch gezeigt. Gleiche Teile und Einrichtungen der Aufbereitungsstufe der Figur 10, wie sie auch in der Ausführung der Figur 9 verwendet werden, sind in der Figur 10 mit den gleichen Bezugszeichen angegeben und werden nachfolgend deshalb nicht genauer erläutert.
Im Unterschied zur Ausfuhrungsform der Figur 9 hat die Aufbereitungseinrichtung der Figur 10 eine zusätzliche Heizstufe mit nachfolgender zusätzlicher Zerkleinerungsstufe, wobei die zusätzliche Heizstufe und zusätzliche Zerkleinerungsstufe in dieser Reihenfolge ausgangsseitig der Siebeinrichtung 65 nachfolgen.
Die zusätzliche Heizstufe umfaßt im wesentlichen wiederum eine Förderschnecke 67 und eine Ammoniak-Zuführeinrichtung 70, die der Förderschnecke 67 vorgeheiztes flüssiges Ammoniak zuführt, das in der Förderschnecke 67 wiederum für eine Einwirkzeit über eine -27-
Förderstrecke auf den Zellstoff bzw. Feststoff einwirkt, der von der Förderschnecke 67 weiterbefördert wird.
Der zusätzlichen Heizstufe ist die zusätzliche Zerkleinerungsstufe 68 nachgeschaltet, die im wesentlichen aus z.B. einem weiteren Zerkleinerer besteht, welcher z.B. als Kälte-
Zerkleinerer 68 (erhältlich z.B. von der Firma Fryma, Schweiz) ausgelegt sein kann und das den eingangsseitig zugeführten Zellstoff weiter zerkleinert an die Feststoff- Zuführeinrichtung oder das Transportsystem ausgibt oder direkt über eine Absperreinrichtung, z.B. einem Schieber oder einer Klappe 69, dem Druckreaktor 30 zuführt. Die zusätzliche Zerkleinerung dient einer weiteren Größenhomogenisierung des
Zellstoffs und Oberflächen-Reaktionsvergrößerung.
In der Figur 12 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckreaktors 80 zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung schematisch gezeigt.
Der Druckreaktor 80 besteht aus einem senkrecht bzw. vertikal angeordneten Druckreaktor- Gehäuse mit zylindrischem Querschnitt, das oben verschlossen ist und unten, also zur Expansionskammer 89 hin, mit einer Absperreinrichtung 88, z.B. einem Kugelhahn, versehen ist, die im geöffneten Zustand eine durchgängige Verbindung zwischen einer Reaktorkammer 81 bzw. dem Inneren des Druckreaktors 80 und der Expansionskammer 89 bereitstellt und im geschlossenen Zustand das Innere des Druckreaktors 80 gegenüber der Expansionskammer 89 absperrt.
Das Innere des Druckreaktors 80 ist einkammerig mit der Reaktorkammer 81 ausgelegt. Der Druckreaktor 80 umfaßt weiterhin eine Verdichtereinrichtung und eine
Trenneinrichtung, die den über eine kontinuierlich -arbeitende Zuführeinrichtung zugeführten Feststoff bzw. Zellstoff oder Zellstoffpartikel von einem Fördermittel, z.B. Luft oder Stickstoff, trennt. -28-
Die Verdichtereinrichtung umfaßt einen Verdichterkolben 84, eine Kolbenstange 85, die an einer Oberseite des Verdichterkolbens 84 ansetzt, und eine Antriebseinrichtung (vgl. z.B. 98 in der Figur 14), die mit der Kolbenstange 85 gekoppelt ist, um den Verdichterkolben 84 innerhalb der Reaktorkammer 81 auf- und abwärts zu bewegen und entsprechende Verdichterhübe auszuführen. Der Verdichterkolben 84 paßt umfangsmäßig in den lichten
Innendurchmesser der Reaktorkammer 81 des Druckreaktors 80 ein, wenn der Querschnitt des Druckreaktors 80 betrachtet wird. Die Antriebseinrichtung des Verdichterkolbens 84 kann wiederum z.B. pneumatisch ausgelegt sein. Die Feststoff-Zuführeinrichtung ist beispielsweise pneumatisch ausgelegt und als Fördermittel wird dementsprechend Druckluft verwendet.
Die Trenneinrichtung ist als Zyklon 83 ausgelegt, dem eingangsseitig über einem Feststoff- Einlaß 86 der zugeführte Feststoff mit Fördermittel zugeführt wird und dem ausgangsseitig über einem Fördermittelauslaß 87 das Fördermittel wieder entnommen wird. Als Wirbelkammer des Zyklons 83 dient ein Abschnitt der Reaktorkammer 81.
Im unteren Bereich der Reaktorkammer 81 sind mehrere zueinander in der Höhe und radial versetzte Ammoniak-Einlässe 90 ausgebildet. Der untere Bereich der Reaktorkammer 81 dient als Reaktionsbereich 82, in dem der eingefüllte Feststoff bzw. Zellstoff mit dem flüssigen Ammoniak beschickt wird, um das Zellstoff/ Ammoniak-Gemisch zu bilden. An dem Druckreaktor 80 ist wiederum eine Sensoreinrichtung angebracht, die den Füllstand und Verdichtungsgrad des Feststoffs in der Reaktorkammer 81 erfaßt und mit einer Steuereinrichtung für den Druckreaktor 80 verbunden ist, die s-ämtliche Befüllungs-, Verdichtungs-, Reaktions- und Schließ- und Öffnungsvorgänge am Druckreaktor 80 steuert und überwacht.
Die Funktionsweise des Druckreaktors 80 gemäß Figur 12 wird nachfolgend erläutert. Während einer Befüllungsphase des Druckreaktors 80, befindet sich der Verdichterkolben 84 in seiner obersten Position, nämlich seiner Ruheposition D, über die Zufuhreinrichtung -29- und das Zyklon 83 wird die Reaktorkammer 81 des Druckbehälters 80 mit Feststoff befüllt, wobei das Fördermittel über den Fördermittel-Auslaß 87 abgeführt wird.
Ist ein vorgegebener Füllstand von Zellstoff in der Reaktorkammer 81 erreicht, was von einer Sensoreinrichtung (vgl. 43 in Figur 5) und der zentralen Steuereinrichtung überwacht wird, wird von der Steuereinrichtung eine Verdichtungsphase eingeleitet. Während der Verdichtungsphase übt der Verdichterkolben 84, angetrieben von einer pneumatischen Antriebseinrichtung über die Kolbenstange 85, einen abwärts gerichteten Verdichtungshub oder mehrere aufeinanderfolgende Verdichtungshübe aus, bis ein vorgegebener Zielverdichtungsgrad des Zellstoffs in der Reaktorkammer 81 gegeben ist, was wiederum mittels der Sensoreinrichtung von der Steuereinrichtung überwacht und gesteuert wird. Ist der Zielverdichtungsgrad des Zellstoffes erreicht, verbleibt der Verdichterkolben 84 in der ausgelenkten Position, nämlich der Endposition E. des letzten Verdichtungshubes. Der Zellstoff in der Reaktorkammer 81 hat dann z.B. die Füllstandshöhe bzw. zugehörige Volumen V2, wie der Figur 12 zu entnehmen ist. Die Länge des Verdichtungshubs des
Verdichtungskolbens 84 kann eingestellt werden, wodurch verschiedene Volumina, z.B. auch VI, realisiert werden können. Ein Reaktionsbereich 82 innerhalb der Reaktorkammer 81 ist dann durch den Verdichterkolben 84 in der Position E, durch die zylindrische Wand des Reaktorgehäuses und durch die geschlossene Absperreinrichtung 88 begrenzt, wobei das Volumen des Reaktionsbereichs 82 dem Volumen entspricht, das der verdichtete
Zellstoff bzw. Feststoff nun einnimmt.
Anschließend leitet die zentrale Steuereinrichtung die Reaktionsphase ein, während der flüssiges Ammoniak unter Druck dem Feststoff bzw. Zellstoff in dem Re-aktionsbereich 82 über die Ammoniakeinlässe 90 zugeführt wird. Nach Ablauf der Reaktionsphase bzw. der zugeordneten Reaktionszeit öffnet die Steuereinrichtung die Absperreinrichtung 88 und es erfolgt die vorgesehene explosionsartige Explosion des nun im Reaktionsbereich vorliegenden Zellstoff/ Ammoniak-Gemisches in die Expansionskammer 89 hinein. -30-
Anschließend schließt die zentrale Steuereinrichtung die Absperreinrichtung 88 wieder und der Verdichterkolben 84 wird in seine Ruheposition D zurückgezogen (Rückkehrphase), wonach ein erneuter Zyklus aus Befüllungsphase, Verdichtungsphase, Reaktionsphase und Expansionsphase ausgeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform hat der Verdichterkolben 84 selbst die Funktion, den Reaktionsbereich 82 zu begrenzen bzw. zu verschließen, ohne daß eine zusätzliche Absperreinrichtung erforderlich wäre.
In der Figur 11 ist ein Beispiel für eine in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare
Zuführeinrichtung schematisch gezeigt. Die gezeigte Zuführeinrichtung hat im wesentlichen eine Förderschnecke 91, die mit einem zugehörigen Antrieb 93 gekoppelt ist, und einen Förderpropeller 94, der eingangsseitig mit dem Förderschneckenbereich und ausgangsseitig mit einem Verteilersystem 95 materialgängig verbunden ist.
Die Förderschnecke hat einen linksgängigen Abschnitt und einen rechtsgängigen Abschnitt und ist mit einem Feststoffvorrat 92 verbunden, aus dem die Förderschnecke 91 Feststoff, z.B. Zellstoff, abfördert. In dem Bereich wo die rechts- und linksgängigen Abschnitte der Förderschnecke 91 aneinander anschließen setzt der Förderpropeller 94 an, um von der Förderschnecke 91 zugeführten Feststoff zu erfassen und dem Verteilersystem 95 zuzuführen, das den beschleunigten Feststoff einem einzelnen oder mehreren Druckreaktoren schließlich zuführt. Die in der Figur 11 gezeigte Feststoffzuführeinrichtung führt kontinuierlich Feststoff den Druckreaktoren zu.
In Alternative zu dem Förderpropeller 94 kann eine Druckgasleitung an der Förderschnecke
91 ansetzen, die ein druckbeaufschlagtes Gas zur Förderschnecke 91 fördert, z.B. Druckluft, Stickstoff, um einen kontinuierlichen Transport des Feststoffs in das Verteilersystem von der Förderschnecke 91 aus zu ermöglichen, das druckbeaufschlagte Gas wirkt dann als Treibgas und Fördermittel für den Feststoff im Verteilersystem 95 zu dem Druckreaktor. -31-
In der Figur 13 ist beispielhaft eine Druckreaktorgruppe dargestellt, die vier identische Druckreaktoren 80.1, 80.2, 80.3 und 80.4 des in der Figur 12 gezeigten Typs umfaßt, wobei pro Druckreaktor ein Pneumatikzylinder 98 zum Antreiben des jeweiligen Verdichterkolbens 84 über die Kolbenstange 85 eingezeichnet ist. Die Zyklone 83 der
Druckreaktoren 80.1 bis 80.4 sind mit dem Verteilersystem 95 einer Feststoff- Zuführeinrichtung (vgl. 91, 92, 95, 100 der Figur 14) verbunden, wobei die Fördermittel- Auslässe 87 der Zyklone 83 in eine gemeinsamen Fördeπxiittel-Rückführeinrichtung 96, wie in der Figur 14 gezeigt ist, einmünden. Die Ammoniakeinlässe 90 der einzelnen Druckreaktoren 80.1 bis 80.4 sind über ein in Figur 13 dargestelltes Leitungssystem mit einer Ammoniakquelle für flüssiges unter Druck gesetztes Ammoniak verbunden.
Von der zentralen Steuereinrichtung, z.B. einer SPS-Steuereinrichtung, die programmgesteuert die in Figur 13 dargestellte Druckreaktorgruppe und sämtliche in Figur 14 dargestellten Kreisläufe und die Feststoff- bzw. Zellstoffaufbereitung und -Zuführung steuert, werden die einzelnen Druckreaktoren 80.1 bis 80.4 entweder einzeln oder gruppenweise, z.B. in Zweiergruppen, versetzt zueinander betrieben und gesteuert, um ein quasi-kontinuierliches Gesamtherstellungsverfahren zu erhalten. So können z.B. in den zwei Druckreaktoren 80.1 und 80.2 die Befüllungs- und Verdichtungsphase durchgeführt werden, während in den beiden hinteren Druckreaktoren 80.3 und 80.4 die Reaktions- und
Expansionsphase durchgeführt wird.
Der Betrieb der Druckre.aktorgruppe kann aber phasenversetzt auch erfolgen, wie nachfolgend erläutert wird. Im Anfangszustand werden die entsprechenden Druckreaktoren phasenversetzt erstmalig befüllt
Im eingeschwungenen Zust.and wird dann in einem ersten Schritt z.B. im Druckreaktor 80.1 die Befüllphase durchgeführt, während gleichzeitig in dem Druckreaktor 80.2 die Verdichtungsphase, im Druckreaktor 80.3 die Reaktionsphase und im Druckreaktor 80.4 die Expansionsphase und Rückkehrphase des Verdichterkolbens 84 ausgeführt werden. Im nächsten, zweiten Schritt werden dann gleichzeitig zueinander, entsprechend den zur Figur -32-
12 erläuterten Druckreaktor-Phasen eines Druckreaktor-Zyklus, im Druckreaktor 80.1 die Verdichtungsphase, im Druckreaktor 80.2 die Reaktionsphase, im Druckreaktor 80.3 die Expansions- und Rückkehrphase und im Druckreaktor 80.4 die Befüllphase durchgeführt. Im dritten Schritt oder nächsten Takt werden dann wiederum gleichzeitig zueinander im Druckreaktor 80.1 die Reaktionsphase, im Druckreaktor 80.2 die Expansions- und
Rückkehrphase, im Druckreaktor 80.3 die Befüllphase und im Druckreaktor 80.4 die Verdichtungsphase durchgeführt. In einem nachfolgenden vierten Schritt werden dann gleichzeitig im Druckreaktor 80.1 die Expansions- und Rückkehrphase, im Druckreaktor 80.2 die Befüllphase, im Druckreaktor 80.3 die Verdichtungsphase und im Druckreaktor 80.4 die Reaktionsphase durchgeführt.
Damit ist ein vierschrittiger phasenversetzter Gesamtzyklus für die in Figur 13 dargestellte Druckreaktorgruppe abgeschlossen und der nächste Gesamtzyklus der eingeschwungenen Druckreaktorgruppe wird fortgesetzt. Im Anfangszustand werden die entsprechenden Druckreaktoren phasenversetzt erstmalig befällt.
In der Figur 14 ist das zur Figur 13 passend ausgelegte Versorgungssystem gezeigt, das eine Versorgung mit Feststoff, einen Fördermittelkreislauf 96 und einen Heizmittelkreislauf 66.1 umfaßt.
Die Feststoffversorgung umfaßt einen Vorratsbehälter (Silo) 92, dem eingangsseitig über eine Zellradschleuse 100 Feststoff, z.B. Zellstoff als Tora Pulp oder gemahlener Pulp, zugeführt wird und dem ausgangsseitig über eine weitere Zellradschleuse 100 der im Silo 92 aufbereitete Zellstoff entnommen wird. Die Zellradschleuse 100 übergibt den Zellstoff vom Silo 92 an die Förderschnecke 91 (vgl. z.B. die Figur 11), an deren Ausgang Druckluft als Treibgas und Fördermittel aus dem Fördermittelkreislauf 96 dem von der Förderschnecke 91 aus beförderten Zellstoff zugeführt wird, wodurch der Zellstoff in das Verteilungssystem 95 zu den Druckreaktoren 80.1 bis 80.4 befördert wird. Die Fördermittelauslässe 87 der Zyklone 83 der Druckreaktoren sind fluid-gängig mit einer Fördermittel-Rückführeinrichtung 96 des Fördermittelkreislaufes verbunden, wobei die -33-
Fördermittel-Rückführeinrichtung 96 das rückgeführte Fördermittel einer Kompressoreinrichtung 97 zuführt, die die Druckluft wieder verdichtet und, wie gesagt, in das Verteilersystem 95 zum Fördern des Zellstoffes einspeist. In der Fördermittel- Rückführeinrichtung kann eine Filtereinrichtung verwendet werden, um Feststoffpartikel aus dem Fördermittel- oder Treibgasrückstrom auszufiltern. Um Fördermittelverluste auszugleichen, ist ein Fördermittelvorrat 98 mit dem Fördermittelkreislauf verbunden.
Zur Aufbereitung wird der Zellstoff oder Feststoff in dem Silo 92 mit flüssigem oder gasförmigem Ammoniak in einem Heizkreislauf 66.1 beschickt, wobei im Heizkreislauf 66.1 eine Pumpe 72, die die kreislaufmäßige Rückführung und Einspeisung des
.Ammoniaks in das Silo 92 aufrecht erhält, und eine Heizeinrichtung 73 vorgesehen sind, die das gasförmige oder flüssige Ammoniak z.B. auf 100°C erwärmt. Durch das relativ große Volumen des Silos 92 ist sichergestellt, daß eine erwünschte Aufbereitungsreaktion bzw. ein erwünschtes Einwirken des erwärmten Ammoniaks auf den Zellstoff im Silo 92 sichergestellt ist, bevor der Feststoff aus dem Silo 92 ausgefördert wird. Mit dem
Heizkreislauf 66.1 ist weiterhin eine Ammoniakquelle 74 verbunden, die zum Ausgleichen von Ammoniakverlusten im Heizkreislauf verwendet wird.
* * *

Claims

-34-Patentansprüche
1. Verfahren zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen, insbesondere mit verflüssigtem Ammoniak, unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnde Feststoff bei Umgebungsdruck in einen Druckreaktor (10) eingebracht wird, im Anschluß daran dem Druckreaktor das flüssige Gas unter Druck zugeführt wird und das so entstandene Gemisch flüssiges Gas/Feststoff nach einer vorgegebenen Verweilzeit explosionsartig in einen Expansionsbehälter (14) entspannt wird, wobei mindestens zwei
Reaktoren zeitlich getaktet betrieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der explosionsartigen Entspannung freigesetzte Gas zurückgewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff mit Hilfe von Dosierschnecken in den Druckreaktor (10) eingebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff durch eine pneumatisch arbeitende Fördereinrichtung in den Druckreaktor (10) eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnde Feststoff im Druckreaktor aktiv mit dem verflüssigten Gas vermischt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen und Verschließen der Reaktoren automatisch gesteuert wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Feststoffes und/oder des verflüssigten Gases automatisch gesteuert wird. -35-
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem verflüssigten Gas unter Druck ein darin gelöster oder dispergierter, fester oder flüssiger Zusatzstoff in den Reaktor eingebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verflüssigte Gas vor dem Eintreten in den Reaktor (10) mit dem festen oder flüssigen Zusatzstoff vermischt wird.
10. Vorrichtung zur Behandlung von Feststoffen mit verflüssigten Gasen, insbesondere mit verflüssigtem Ammoniak, unter Druck, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens zwei parallel angeordnete Druckreaktoren (10) zur alternierenden Aufnahme eines Feststoffes und eines verflüssigten Gases, die jeweils mit Absperrorganen (1 1, 12) versehene Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen für den Feststoff sowie jeweils mindestens eine Eintrittsöffnung (13) für das verflüssigte Gas aufweisen, mindestens einen
Expansionsbehälter (14), der mit den jeweiligen Druckreaktoren (10) verbunden ist, und Fördermittel zum Zuführen des Feststoffes sowie des verflüssigten Gases aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrorgane ( 11 , 12) der Druckreaktoren ( 10) als Kugelventile ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckreaktoren (10) als senkrecht stehende Rohrzylinder ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fördermittel für den Feststoff Förderschnecken umfassen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermittel für den Feststoff pneumatische Förderer umfassen. -36-
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Steuerung des Einbringens des Feststoffes und/oder des verflüssigten Gases vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel zur Steuerung der getakteten Betätigung der Absperrorgane (1 1, 12) der Druckreaktoren (10) vorgesehen sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckreaktoren (10) mit einer externen Heizung ausgestattet sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoren (10) jeweils mehrere Eintrittsöffnungen (13) für das flüssige Gas aufweisen.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckreaktoren (10) als Mischer ausgebildet sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (11) am Einlaß jedes Druckreaktors (10) als Schleusensystem ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckreaktor eine Verdichtereinrichtung hat, die den Feststoff, insbesondere Zellstoff, im Druckreaktor zusammenpreßt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung einen Verdichterkolben (39; 84) hat, der in einer zylinderförmigen Reaktorkammer (34, 50; 81) bewegbar ist und den Feststoff zusammenpreßt. -37-
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (39) einen oder mehrere Kanäle (41) hat, die sich fuiddurchgängig von einer Unterseite zu einer Oberseite des Verdichterkolbens (39) erstrecken.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reaktorkammer (34, 50) eine Verdichterkammer (34) und eine Reaktionskammer(50) aufweist, die durch eine Absperreinrichtung (53) voneinander trennbar sind, wobei in der Verdichterkammer der Feststoff verdichtet wird und in der Reaktionskammer Flüssigkeit, insbesondere flüssiger Ammoniak, unter Druck zugeführt wird, während die Absperreinrichtung geschlossen ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben die verdichtete Feststoffmenge von der Verdichterkammer in die Reaktionskammer bei geöffneter Absperreinrichtung bewegt.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördermittel, insbesondere Treibgas oder Druckluft, zum Fördern des Feststoffes in die Reaktorkammer aus der Reaktorkammer wieder entfernbar ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckreaktor (80) einen Zyklon (83) hat, dem eingangsseitig der Feststoff mit Fördermittel zufuhrbar ist und der ausgangsseitig den Feststoff in die Reaktorkammer (81) und das Fördermittel einem Fördermittelauslaß (87) zuführt.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verdichterkolben in einer Position (E) seines möglichen Kolbenhubs arretierbar ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (84) in der arretierbaren Position einen Reaktionsbereich der Reaktorkammer begrenzt. -38-
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 29, gekennzeichnet durch eine Feststoffzuführeinrichtung, die den Feststoff einem Druckreaktor oder einer Gruppe von Druckreaktoren zuführt, wobei die Feststoffzuführeinrichtung einen Förderpropeller hat.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 29, gekennzeichnet, durch eine
Aufbereitungsvorrichtung für den Feststoff, die den Feststoff aufbereitet, bevor er dem Druckreaktor oder den Druckreaktoren zugeführt wird.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungseinrichtung eine Heizeinrichtung hat, die den Feststoff erwärmt.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeträger-Fluid dem Feststoff zugeführt wird, das die Heizeinrichtung erwärmt.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträger-Fluid flüssiges oder gasförmiges Ammoniak ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung das Ammoniak auf eine Temperatur von circa 100 °C erwärmt.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträger-Fluid in einem Heizkreislauf zirkuliert.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, gekennzeichnet durch eine Förderschnecke zum Fördern des Feststoffes, wobei der Feststoff in der Förderschnecke erwärmt wird.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 37, gekennzeichnet durch einen Silo für den Feststoff, wobei der Feststoff in dem Silo erw.ärmt wird. -39-
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 38, gekennzeichet durch eine Zerkleinerungseinrichtung für den Feststoff.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 39, gekennzeichnet durch eine Siebeinrichtung für den Feststoff.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckreaktor während einer Befüllphase mit Feststoff beschickt wird, daß anschließend während einer Verdichtungsphase der Feststoff im Druckreaktor verdichtet wird, daß dann während einer Reaktionsphase verflüssigtes Gas dem verdichteten Feststoff im Druckreaktor zugeführt wird, wobei ein Flüssiggas/Feststoff-Gemisch erzeugt wird, und daß dann das Flüssiggas/Feststoff-Gemisch explosionsartig in einen Expansionsbehälter hinein expandiert wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, daß noch vor der Reaktionsphase die Befüllphase und die nachfolgende Verdichtungsphase des Feststoffes in dem Druckreaktor einmal oder mehrmals wiederholt werden, bis ein vorgegebener Verdichtungsgrad und/oder Füllstand des Feststoffs im Druckreaktor erreicht wird.
43. Verfahren nach Anspruch 41 oder Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdichtungsphase ein Verdichtungshub oder mehrere aufeinanderfolgende Verdichtungshübe eines Verdichterkolbens des Druckreaktors ausgeführt werden.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Druckreaktoren gleichzeitig versetzt in den vorstehend genannten Phasen betrieben werden.
45. Druckreaktor zur Behandlung eines Feststoffs, insbesondere Zellstoff, mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, insbesondere flüssigem Ammoniak, unter Druck, gekennzeichnet -40-
durch eine Verdichtereinrichtung, die den in den Druckreaktor eingefüllten Feststoff zusammenpreßt, um ihn zu verdichten.
46. Druckreaktor nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung einen Verdichterkolben (39; 84) hat, der in einer zylinderförmigen
Reaktorkammer (34, 50; 81) bewegbar ist und den Feststoff zusammenpreßt.
47. Druckreaktor nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (39) einen oder mehrere Kanäle (41) hat, die sich fuiddurchgängig von einer Unterseite zu einer Oberseite des Verdichterkolbens (39) erstrecken.
48. Druckreaktor nach einem der Ansprüche 45 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (34, 50) eine Verdichterkammer (34) und eine Reaktionskammer(50) aufweist, die von einer Absperreinrichtung (53) voneinander trennbar sind, wobei in der Verdichterkammer der Feststoff verdichtet wird und in der Reaktionskammer Flüssigkeit, insbesondere flüssiger Ammoniak, unter Druck zugeführt wird, während die Absperreinrichtung geschlossen ist.
49. Druckreaktor nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben die verdichtete Feststoffmenge von der Verdichterkammer in die Reaktionskammer bei geöffneter Absperreinrichtung bewegt.
50. Druckreaktor nach einem der Ansprüche 45 bis 49, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fördermittel, insbesondere Treibgas oder Druckluft, zum Fördern des Feststoffes in die Reaktorkammer aus der Reaktorkammer wieder entfernbar ist.
51. Druckreaktor nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckreaktor (80) einen Zyklon (83) hat, dem eingangsseitig der Feststoff mit Fördermittel zuführbar ist und der ausgangsseitig den Feststoff in die Reaktorkammer (81) und das Fördermittel einem Fördermittelauslaß (87) zuführt. -41-
52. Druckreaktor nach einem der Ansprüche 45 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben in einer Position (E) seines möglichen Kolbenhubs anhaltbar und/oder arretierbar ist.
53. Druckreaktor nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (84) in der Position, in der er anhaltbar und/oder arretierbar ist, einen Reaktionsbereich der Reaktorkammer begrenzt.
54. Druckreaktor nach einem der Ansprüche 45 bis 53, gekennzeichnet durch eine
Sensoreinrichtung, die einen Füllstand des Feststoffes im Druchreaktor und/oder einen Verdichtungsgrad oder eine Dichte des Feststoffes in dem Druckreaktor erfaßt.
55. Verfahren zur Behandlung eines Feststoffs, insbesondere Zellstoff, mit einem Gas oder einer Flüssigkeit, insbesondere flüssigem Ammoniak, unter Druck, wobei: ein Druckreaktor während einer Befüllphase mit Feststoff beschickt wird, anschließend während einer Verdichtungsphase der Feststoff im Druckreaktor verdichtet wird, dann während einer Reaktionsphase das Gas oder die Flüssigkeit dem verdichteten Feststoff im Druckreaktor zugeführt wird, wobei ein Flüssigkeit/Feststoff-Gemisch oder Gas/Feststoff-Gemisch erzeugt wird, und dann das Gemisch explosionsartig in einen Expansionsbehälter hinein expandiert wird.
56. Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß noch vor der Reaktionsphase die Befüllphase und die nachfolgende Verdichtungsphase des Feststoffes in dem Druckreaktor einmal oder mehrmals wiederholt werden, bis ein vorgegebener Verdichtungsgrad und/oder Füllstand des Feststoffs im Druckreaktor erreicht wird. -42-
57. Verfahren nach Anspruch 55 oder Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdichtungsphase ein Verdichtungshub oder mehrere aufeinanderfolgende Verdichtungshübe eines Verdichterkolbens des Druckreaktors ausgeführt werden.
58. Verfahren nach einem der Ansprüche 55 bis 57, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Druckreaktoren gleichzeitig versetzt in mehreren der vorstehend genannten Phasen betrieben werden.
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