WO2008067680A1 - Vorrichtung und verfahren zur thermischen behandlung von schüttgutmaterialien - Google Patents

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bulk material
gas
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process gas
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Brent Allan Culbert
Fernando Eusebio
Andreas Christel
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Bühler AG
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Definitions

  • the throughput of bulk material in comparison to the amount of treatment gas and the gas velocity with which the bulk material flows through play a crucial role.
  • the gas quantity can be chosen such that a complete heat exchange takes place between the bulk material material and the treatment gas.
  • the gas velocity must be chosen so that it lies below the loosening point of the bulk material and thus prevents back mixing in the fixed bed reactor. With the resulting, low heat transfer coefficient, the residence time to ensure heat exchange in the reactor, but very high.
  • a high gas velocity can be used in a fluidized bed or bubble bed reactor, which leads to a high heat transfer coefficient and thus shorter residence times.
  • the disadvantage is that an average bed temperature forms at which the bulk material and the treatment gas equalize, and thus a complete heat exchange is not possible. Somewhat better is the situation when a fluidized bed or bubble bed reactor is subdivided into several successive areas, which allows a good approximation of the bulk material outlet temperature to reach the gas inlet temperature.
  • the disadvantage is that the treatment gas from the various areas has different outlet temperatures and thus only partially to the bulk material entry temperature equalizes. Equally disadvantageous is the overall high amount of treatment gas in comparison to the throughput of bulk material.
  • an object of the present invention is to provide a method and an apparatus which can obviate the above drawbacks and allow a bulk material in a gas stream to be heated or cooled in a short time with a minimum amount of treatment gas ,
  • a method for treating a bulk material material in a device wherein the device, the at least one treatment chamber, a filling opening and a discharge opening for the bulk material and a supply device and a discharge device for a treatment gas, is provided with a plurality of stacked stowage element layers, and the stowage element layers can be traversed by both the treatment gas, as well as the bulk material.
  • a device for treating a bulk material material which has at least one treatment space, a filling opening and a discharge opening for the bulk material and a feed device and a discharge device for a treatment gas, is provided with a multiplicity of stowage element layers arranged one above the other, wherein the stowage element layers have a passage area of between 40 % and 98% leave open and / or allow cleaning of the device in an emergency.
  • the treatment room of the device is surrounded by a housing.
  • the horizontal cross section of the treatment space may have any shape, but is preferably round or rectangular.
  • the treatment space is arranged substantially vertically, so that the bulk material material can flow through the device either from top to bottom or from bottom to top. It is important that an even product flow can be achieved.
  • the treatment room is bounded laterally by a jacket.
  • the shell wall can consist of cylindrical, conical or a combination of conical and cylindrical segments, whereby the gas velocity distribution can be influenced by the height of the device. An expansion in the ceiling area allows a reduction in the gas velocity, which prevents the discharge of bulk material.
  • a narrowing in the ceiling area allows an increase in the gas velocity, which leads to a greater turbulence, which can prevent any gluing.
  • a particular embodiment provides an at least approximately rotationally symmetrical housing shell, which results in production-related advantages as well as advantages for a regular product flow.
  • a displacement body can be arranged, which is not flowed through by the bulk material and thus reduces the treatment space.
  • Such displacement bodies can be used, for example, for carrying out treatment gas, for adapting the free cross-sectional area or for improving the flow of bulk material.
  • a device can be divided by the use of partitions into several chambers, wherein a product distribution on several chambers at the same time or a product guide from one chamber to the next is conceivable. At least one chamber forms a treatment room with the characterizing features of the present invention.
  • At least one filling opening opens into the treatment room, so that bulk material to be treated can be introduced into the treatment room.
  • the filling opening may be, for example, an opening in the housing or the exit from a pipe which is guided into the housing.
  • the filling opening can be divided into several segments, which allows a distribution of the bulk material in the treatment room.
  • the filling opening is located in the ceiling area of the treatment room.
  • At least one discharge opening opens into the treatment room, so that treated bulk material can be discharged from the treatment room.
  • the discharge opening may be, for example, an opening in the housing or entry into a pipe which is guided out of the housing.
  • the discharge opening is located in the bottom region of the treatment space, wherein the bulk material material is preferably supplied through a conical region of the discharge opening.
  • the angle of the discharge cone to the horizontal is preferably 50-80 ° when the bulk material in the discharge cone is not fluidized or vibrated, and 15-60 °, especially 30-50 °, when the bulk material in the discharge cone is fluidized or vibrated.
  • the bulk material can also be supplied to the discharge opening by means of a mechanical discharge device, such as a screw.
  • a mechanical discharge device such as a screw.
  • Under- Half of the discharge can be a blocking element, such as a rotary valve, a horizontally arranged discharge roller or an automatic slide, with the help of the bulk material flow is controlled from the treatment room.
  • a controlled variable can be used, for example, the filling level of the bulk material in the treatment room or the weight of the bulk material in the device.
  • the supply device In the bottom area of the treatment room is at least one supply device for a treatment gas.
  • the supply device has at least one inlet opening, through which treatment gas flows into the treatment space.
  • the treatment gas supply means may comprise devices such as downwardly open cones or rows of roofs, as well as conduits or plates with exit bores, as long as a sufficiently even distribution of the treatment gas takes place.
  • a particular embodiment provides that the treatment space is bounded at the bottom by an at least partially gas-permeable shut-off device, in particular a perforated plate with a plurality of inlet openings, which can be flowed through by process gas at least in places, but not by the bulk material.
  • the openings are smaller than the diameter of the bulk material particles.
  • the passage area preferably has between 1% and 30%. Preferably, openings between 20 and 90%, in particular between 30 and 80% of the diameter of the bulk material particles. The number and size of the openings can be uniform or uneven.
  • the shut-off device is arranged conically or horizontally.
  • a distribution chamber is passed through the treatment gas to the shut-off device. At least one feed opening for treatment gas opens into this distributor space.
  • devices for distributing the process gas such as baffles, valves or flaps, as well as separate channels for individual process gas supply can be arranged.
  • the treatment room can be limited downwards by a non-gas-permeable shut-off device.
  • the at least one supply means for a treatment gas, around an opening in the housing, around the outlet occurs from one or more tubes routed into the housing or around a single roof or row of roofs, either perforated or downwardly open.
  • a possible displacer be used for gas supply.
  • the treatment gas supply means is directly or indirectly connected to conduits or ducts through which connection to means for pretreatment of the process gas, such as compression means (eg fans, blowers or compressors), heat exchangers or purifying means (e.g. Filters, cyclones or catalytic burners).
  • compression means eg fans, blowers or compressors
  • heat exchangers e.g. heat exchangers
  • purifying means e.g. Filters, cyclones or catalytic burners.
  • a particular embodiment of the present invention provides that, in addition to the at least one supply device for treatment gas in the bottom region of the treatment chamber, at least one further supply device for treatment gas opens into the treatment chamber, whereby a multi-stage heat supply or hillsweg- drove, as well as a multi-stage gas velocity profile can be achieved.
  • the routing device may be an opening in the housing or entry into a tube that is routed out of the housing.
  • the Weg211 stands can be located in the mantle or the ceiling of the treatment room.
  • the Weggarstra devices may be located that allow the passage of process gas, but impede the passage of bulk material. This can be done for example by a curved or flow channel or by means of deflecting internals, such as a zig-zag separator.
  • the treatment gas routing means is directly or indirectly connected to conduits or conduits through which communication with means for aftertreatment of the process gas, such as compressors (eg, fans, blowers or compressors), heat exchangers, or purifiers (e.g. Filters, cyclones or catalytic burners gen) is produced. There may be a closed or partially closed circuit between the routing means and the treatment gas supply means.
  • a plurality of stowage element layers are located in the treatment space, wherein the stowage element layers are, for example, nets, grids or grates or a combination thereof.
  • a stowage element layer can also be constructed from a multiplicity of individual stowage bodies.
  • the stowage element layers are designed so that they can be flowed through by both treatment gas and bulk material. This requires a high passage area.
  • the passage area results from the cross section through the treatment space at the level of a stowage element layer, the passage area being equal to the area through which the bulk material flows, divided by the free cross-sectional area of the treatment area. Any displacer in the treatment room do not belong to the free cross-sectional area of the treatment room.
  • the passage area is 40% to 98%.
  • the passage area is preferably between 50% and 90%, in particular between 60% and 80%.
  • the stowage element layers should have a passage width which is 4 to 40 times greater than the average bulk particle diameter.
  • the passage width is the distance between two storage elements of a storage element layer. If the distance on one axis is less than on the other, the smaller distance is referred to as the passage width. If the bulk material material is granules with an average diameter of 0.4 mm to 5 mm, then the stowage element layers should have a passage width of 4 mm to 50 mm.
  • the stowage element layers should have a passage width of 1 mm to 20 mm. If the bulk material is chips or flakes with a maximum length of 10 mm to 40 mm, then the stowage element layers should have a passage width of 20 mm to 200 mm. Conveniently, between 3 and 100 stowage element layers are arranged in the treatment space, wherein preferably more than 5, in particular more than 10, stowage element layers are arranged in the treatment space. More than 100 stowage element layers are conceivable, but lead to a very high overall height of the device, which is not desirable in many cases.
  • the stowage element layers should be arranged so that the bulk material treatment is as uniform as possible.
  • usually at least one stowage element layer should be arranged essentially horizontally in the treatment space, wherein preferably at least 5 stowage element layers are arranged essentially horizontally in the treatment space.
  • At least one stowage element layer should extend substantially over the entire free cross-sectional area of the treatment space, wherein preferably at least 5 stowage element layers should extend substantially over the entire free cross-sectional area of the treatment space.
  • Small open areas may be present, for example, at the edges of the baffle layers or their segments. However, the open areas should comprise a maximum of 10% of the free cross-sectional area of the treatment room.
  • baffle element layers are arranged one above the other.
  • At least one treatment layer has a height of 10 - 300 mm.
  • at least 5 treatment layers have a height of 10 - 300 mm.
  • the captainsschichen have a height of more than 20 mm, in particular more than 30 mm.
  • the treatment layers have a height of less than 200 mm, in particular less than 100 mm.
  • internals for heat supply or removal may be, but do not form a complete stowage element layer.
  • the baffle element layers can be connected directly to the housing jacket or arranged in the treatment space via a separate support structure.
  • a separable connection between the baffle element layers and the housing shell or the support structure is preferred.
  • the baffle element layers in the normal operating state, in the thermal treatment of bulk materials with increased tendency to adhere to an incorrect operation, there is the danger that agglomerates will form in the treatment layers which the baffle element layers can no longer flow through.
  • openings can be provided in the device through which any agglomerates can be removed or destroyed.
  • the height of a treatment layer is to be kept low, that is kept below 100mm, whereby the size of any agglomerates is limited, or the Stauelement scaffolden should be arranged by means of a separable connection in the treatment room, thereby removing individual Stauelement groomen and treatment layers or a package Stauelement Anlagenen and treatment layers is made possible.
  • connection for example, connections by screws, clamps or hang up, which is in contrast to solid welds or manufacturing in one piece.
  • a stowage element layer consists of a multiplicity of individual stowage elements.
  • the individual storage elements may be sheets, rods, wires, tubes or individual bluff bodies or a combination thereof.
  • the individual storage elements should be arranged in such a way that a deposition of bulk material material is avoided, in particular sheets should be used essentially edgewise or only slightly angled (maximum 30 °).
  • the individual storage elements should be constructed so that they withstand the load of the moving bulk material, but at the same time do not cause large dead zones. Cross-sectional areas of 0.03 to 20 cm 2 , in particular 0.07 to 1 cm 2 , are preferred. However, any support structures may have larger cross-sectional areas.
  • a preferred embodiment provides that at least one storage element layer consists of a grid, in particular fabric of individual, crossing wires. To have sufficient strength, the individual wires should have a thickness of 2.5 to 10 mm, with wire thicknesses of greater than or equal to 3 mm are preferred.
  • a further preferred embodiment provides that at least one storage element layer of individual tubes is constructed as a grate. In this case, there is also the possibility that the pipes are flowed through by a heat transfer medium, whereby heat can enter or discharge heat in the treatment room.
  • a further preferred embodiment provides that at least one storage element layer consists of individual bluff bodies, wherein the bluff bodies can be connected to one another horizontally or can be connected vertically to bluff bodies of other stowage element layers. The individual bluff bodies are preferably conical upwards.
  • damming elements have a direction or orientation
  • individual layers can be offset from one another and / or arranged in a twisted manner.
  • the device or parts of the device, in particular one or more stowage element layers, may be connected to a vibration transmitter which vibrates the device or parts thereof.
  • the treatment gas flows through the treatment space essentially from the bottom to the top.
  • the flow velocity of the process gas should lie in at least one stowage element layer above the loosening point of the bulk material.
  • the flow rate of the process gas is at least 5 stowage element layers above the loosening point of the bulk material.
  • the flow rate of the process gas in the stowage element layers should be between 10% and 150%, in particular between 20% and 75%, above the loosening point of the bulk material.
  • the flow rate of the process gas in at least one treatment layer is above the loosening point of the bulk material.
  • the flow rate of the process gas is at least 5 treatment layers above the loosening point of the bulk material.
  • the flow rate of the process gas in the treatment layers should be between 1% and 100%, in particular between 2% and 50%, above the loosening point of the bulk material.
  • a particular embodiment provides that the flow rate of the process gas is at least 5 treatment layers below the loosening point of the bulk material, but in 5 adjacent storage element layers is above the loosening point of the bulk material.
  • the relaxation point is the flow velocity at which the bed is in its lowest state.
  • the determination of the relaxation point off A measurement of a pressure loss curve is shown in the VDI Heat Atlas 5th Edition 1988, in Chapter Lf, Figure 4. An approximate calculation can be taken from "Heat and mass transfer in the fluidized bed; H. Martin; Chem. Ing. Tech 52 (1980) No. 3, pp. 199-190".
  • P porosity
  • Os surface of the sphere of the same volume / particle surface applies.
  • the diameter of the volume equal ball can be used.
  • the fluidization point is achieved at a gas velocity of about 0.6 to 2 m / s.
  • the mean diameter corresponds to the average diameter of the volume equal balls of the granules.
  • the gas velocity corresponds to the empty tube velocity, ie the amount of gas per time divided by the cross section of the treatment chamber. Due to the heat exchange between the bulk material particles and the treatment gas, the temperature of the treatment gas and thus also its flow velocity can change from bottom to top in the treatment space. In order to compensate for this change, either the jacket around the treatment space can be at least locally conical or displacement bodies can be arranged in the treatment space, which reduce the cross-sectional area of the treatment space in relation to the flow rate.
  • a particular embodiment of the inventive method provides that the bulk material flows through the treatment chamber from top to bottom. If a hot bulk material material is cooled, the treatment gas heats up from below. In order to compensate for the resulting increase in the flow rate of the treatment gas, the cross-sectional area in the upper treatment layers should be greater than in the lower treatment layers. Conversely, in a process for heating a bulk material, the treatment gas cools from bottom to top. In order to compensate for the resulting decrease in the flow rate of the treatment gas, the cross-sectional area in the upper treatment layers may be smaller than in the lower treatment layers.
  • Another way to compensate for the upward decreasing flow rate of the treatment gas or even to achieve a higher speed in the upper treatment layers, can be achieved by a large reduction in the cross-sectional area or by an additional supply of treatment gas, which is particularly in the crystallization of amorphous granules is advantageous because it can be prevented sticking of the granules.
  • a particular embodiment provides that the flow velocity of the process gas in at least one treatment layer in the bottom region of the treatment chamber between 0.7 m / s and 2 m / s and the flow rate of the process gas in at least one treatment layer in the upper region of the treatment chamber between 1.5 and 4 m / s empty pipe speed. With this embodiment, a stronger backmixing can be achieved in the upper region of the treatment chamber, which is advantageous above all for the treatment of crystallizable bulk materials and in particular their crystallization.
  • the treatment of the bulk material is carried out such that the best possible approximation of the bulk material temperature takes place at the inlet temperature of the treatment gas and the treatment gas temperature to the inlet temperature of the bulk material.
  • the thermal treatment is preferably carried out such that the treatment gas has an inlet temperature TiG and an outlet temperature TaG, that the bulk material has an inlet temperature TiP and an outlet temperature TaP, and that TaP substantially equalizes TiG and that TaG substantially adapts to TiP, which can be calculated by the temperature equalization (TiP + TaP -TiG - TaG) / (TiP-TiG) less than 0.5, in particular less than 0.4.
  • TiP + TaP -TiG - TaG TaP-TiG - TaG
  • TiP-TiG substantially adapts to TiP
  • Treatment times in the device according to the invention are usually less than 1 hour, in particular less than 30 minutes. Preference is given to treatment times of between 1 and 25 minutes.
  • the time in which the bulk material material is in the outlet region, for example an outlet cone, without or with only a small flow of treatment gas is not considered.
  • a further particular embodiment of the present invention provides that the bulk material material is particles, in particular granules, one or more Polymers is.
  • the polymers may be a virgin material or a recyclate.
  • the polymers may contain other substances as additives.
  • polycondensates such as, for example, polyamide, polyester, polycarbonate, polylactide, polyhydroxyalkanoates or their copolymers, in particular polyethylene terephthalate or one of its copolymers, although it is also possible to use mixtures of different polycondensates.
  • the device may be located on a load cell, or it may be a probe used to measure the level.
  • the treatment time and the distance of the storage element layers can be an average residence time in a treatment layer calculated.
  • the residence time in a treatment layer should be between 0.05 and 10 minutes. Times over 0.1 minutes, in particular over 0.2 and under 5 minutes, in particular less than 3 minutes, are preferred.
  • a particular embodiment provides that at least one filling opening for the bulk material material opens into the lower part of the treatment space.
  • the bulk material flows from bottom to top through the treatment space, resulting in a direct current with the treatment gas.
  • the advantage of this mode of operation is a rapid rise in bulk solids temperature even when small volumes of treatment gas are used.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can be an independent process step for thermal treatment, such as heating, cooling, drying, conditioning, crystallization, degassing, of bulk materials, or used in combination with further process steps become.
  • thermal treatment such as heating, cooling, drying, conditioning, crystallization, degassing, of bulk materials, or used in combination with further process steps become.
  • use in systems for crystallization, for solid phase polycondensation, for drying or for monomer degassing is possible.
  • the device according to the invention can be set up independently of other process apparatuses or integrated into a complex process apparatus.
  • the device according to the invention can be arranged, for example, as a heating stage upstream of a shaft reactor or as a cooling stage downstream of a shaft reactor.
  • Another combination uses the inventive device for homogenization after a fluidized bed apparatus.
  • the process gases used in the various apparatuses or apparatus parts can be used independently of each other or coupled together.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view taken along a vertical sectional plane of a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail of a stowage element layer according to a second
  • Embodiment of the inventive device shows
  • FIG. 3a schematic views according to a third, a fourth and a
  • 3b and 3c are fifth embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a segment of a stowage element layer according to a sixth embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 5 is a schematic sectional view taken along a vertical sectional plane of the lower part of a seventh embodiment of the device according to the invention.
  • 1 shows a device according to the invention with a treatment chamber (12), which is closed at the top by a housing cover (10) and at the bottom by a perforated plate (15), and by a housing jacket (11).
  • a treatment chamber (12) which is closed at the top by a housing cover (10) and at the bottom by a perforated plate (15), and by a housing jacket (11).
  • the bottom area (16) there is a discharge opening (14) for bulk material.
  • the perforated plate (15) acts as a supply device, flows through the treatment gas into the treatment chamber (12).
  • the discharge opening (14) is shut off at the bottom by a rotary valve (24).
  • FIG. 2 shows a section of a stowage element layer (19) comprising a plurality of individual stowage elements (20a-n), wherein the stowage element layer is a grid of a plurality of wires.
  • the minimum distance between the wires corresponds to the passage width (LD).
  • the passage area comprises the sum of all mesh surfaces AM between the damming elements (20a-n) plus the edge surfaces AR between the damming elements and the housing jacket (11) in relation to the free cross-sectional area in the treatment space.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c show further possible structures and arrangements of two storage element layers (19a-b), between each of which there is a treatment space (21a).
  • the passage width LD and the congestion element width Ls are respectively visible along the section line L, from which the passage area can also be calculated as the sum of all LD multiplied by its length in relation to the free cross-sectional area in the treatment space.
  • Fig. 3a shows a plurality of tubes as damming elements (20a - n), which are arranged offset from one layer to the next in each case by 90 °.
  • the tubes can be flowed through by a heat transfer fluid, which is indicated by the inlet opening (28).
  • Fig. 3b shows a variety of slightly slanted baffles as damming elements (20a - n), which are arranged mirrored from one layer to the next.
  • Fig. 3c shows a plurality of bi-conical bluff bodies which are connected from one stowage layer to the next by means of a rod.
  • the bluff bodies (20a-n) form a stowage element layer (19a).
  • the bars to the bluff bodies located thereunder form a plurality of displacement bodies in the treatment layer (21a).
  • FIG. 4 shows a segment (19a1) of a stowage element layer (19a). From a large number of such baffle element segments results in a round, in particular circular baffle element layer with a round, in particular circular recess for a displacement body in the middle.
  • the individual storage elements (20b-n) are constructed in a star shape on a support structure (20a).
  • FIG. 5 shows the lower part of a further device according to the invention, the treatment space (12) being conically conically downwards and a transition into a plurality of outflow cones opening into several discharge openings (14a-n).
  • a displacement body 27
  • a supply opening for treatment gas (23) with a supply device for treatment gas (15) is connected.
  • the reactor is charged continuously from above with 600 kg / h of PET granules (3 mm length 2.2 mm diameter) at 190 0 C. 765 Nm3 / h of air at 42 ° C and 83 mbar overpressure are supplied through the screen plate.
  • the filling level is kept constant at 110 cm. With a loose bulk density of 714 kg / m3, the residence time is 18.6 minutes.
  • the residence time between two stowage element layers is 0.8 minutes.
  • the product cools to 7O 0 C, the gas heats up to 158 ° C.
  • the gas velocity increases from bottom to top from 1.0 to 1.4 m / s.
  • the calculated relaxation point increases from bottom to top from 1.1 m / s to 1.2 m / s. Since the heating of the gas, and hence the gas velocity increase, is rapid, the gas velocity in most of the reactor is above the point of loosening.
  • the speed ratio VU / (VU + VO) is 0.40.
  • the temperature equalization (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) is 0.41.
  • Example 1 was repeated with the difference that 670 Nm3 / h of air at 44 0 C and 81 mbar pressure were supplied.
  • the product is cooled to 73 ° C, the gas is heated to 177 0 C.
  • the gas velocity increases from bottom to top from 0.8 to 1.3 m / s.
  • the speed ratio VU / (VU + VO) is 0.39.
  • the temperature equalization (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) is 0.29.
  • a conical hopper with a process chamber with a bottom cross-sectional area of 0.15 cm2 In a conical hopper with a process chamber with a bottom cross-sectional area of 0.15 cm2, an upper cross-sectional area of 0.24 cm2 and a perforated plate arranged conically (with 60 ° inclination to the horizontal) at a distance of 5 cm, 22 sieves with a mesh size of 14 are arranged mm, which extend horizontally over the entire reactor surface.
  • an outlet pipe with a diameter of 10 cm is arranged in the center of the perforated plate.
  • In the outlet pipe In the outlet pipe a rotary valve is arranged.
  • an inlet pipe with a diameter of 10 cm In the ceiling area, an inlet pipe with a diameter of 10 cm is arranged.
  • the reactor is continuously charged from above with 400 kg / h of PET pellets (3 mm length 2.2 mm diameter) at 190 0 C. 530 Nm3 / h of air with 48 ° C and 85 mbar overpressure are fed through the screen plate.
  • the filling level is kept constant at 110 cm. With a loose bulk density of 714 kg / m3, the residence time is 22.2 minutes.
  • the residence time between two stowage element layers is between 0.8 and 1.3 minutes.
  • the product is cooled to 58 ° C, the gas is heated to 165 0 C.
  • the gas velocity decreases from bottom to top from 1.1 to 1.0m / s.
  • the gas velocity in the stowage element layers decreases from bottom to top from 1.6 to 1.5 m / s.
  • the calculated relaxation point increases from bottom to top from 1.1 to 1.2 m / s.
  • the gas velocity in the dam element layers is above the loosening point, respectively.
  • the speed ratio VU / (VU + VO) is 0.53.
  • a known from the prior art round fluidized bed apparatus with a process chamber with 0.3 m 2 bottom surface is continuously charged with 600 kg / h of PET granules (3 mm length 2.2 mm diameter) with 190 0 C.
  • the residence time is 9.4 minutes.
  • the product is cooled to 70 0 C, the gas heats up to 70 0 C, which in this case corresponds to a uniform bed temperature.
  • the gas velocity is 3.4 m / s.
  • the calculated relaxation point is 1.2 m / s. The gas velocity in the reactor is thus above the loosening point.
  • the temperature equalization (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) is 1.
  • the residence time is 4.7 minutes.
  • the product is cooled to 7O 0 C, the gas is heated to 106 0 C.
  • the gas velocity is 1.7 m / s.
  • the calculated relaxation point is 1.2 m / s. The gas velocity in the reactor is thus above the loosening point.
  • the temperature equalization (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) is 0.76.
  • Example 1 of the patent DE 2723549 Gey, sieves with a mesh width of 16 mm are arranged at a distance of 10 cm in a shaft reactor with 0.07 m2 bottom surface.
  • the reactor is continuously charged with 30 kg / h of PET granules (3 mm length 2 mm diameter) at 220 0 C.
  • the residence time is 322 minutes.
  • the residence time between the sieves is 11 minutes.
  • the product is heated to 238 0 C, the gas cools to 220 0 C.
  • the gas velocity is 0.32 m / s.
  • the calculated relaxation point is 1.3 m / s. The gas velocity in the reactor is thus below the loosening point.
  • the temperature equalization (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) is 0.05.
  • Housing cover Housing jacket Treatment chamber Filling opening for bulk material Discharge opening for bulk material Supply area for treatment gas Floor area of treatment room Cylinder discharge area Ceiling area a - n Damping layers a - n Damping elements a - n Treatment layers Gas inlet manifold Gas treatment inlet in distribution chamber Rotary valve Flange in ceiling Carrier structure Displacer Supply line for heat transfer medium

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Schüttgutmateriales. Die Vorrichtung besitzt einen Behandlungsraum (12) zur Aufnahme des Schüttgutmateriales; mindestens eine Schüttgut-Einfüllöffnung (13), mindestens eine Schüttgut-Austragsöffnung (14), mindestens eine Behandlungsgas-Zuführeinrichtung (15) im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12); mindestens eine Behandlungsgas-Wegführeinrichtung (17) im Deckenbereich (18) des Behandlungsraumes (12); sowie eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten (19a-n) im Behandlungsraum (12), wobei sich zwischen den Stauelementschichten eine Vielzahl von Behandlungsschichten (21a-n) befindet und die Stauelementschichten eine Durchlassfläche zwischen 40% und 98% aufweisen. Erfindungsgemäss erstreckt sich zumindest eine Stauelementschicht (19) im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Behandlungsraumes (12), und zumindest eine der Behandlungsschichten (21) besitzt eine Höhe von weniger als 100 mm, und/oder zumindest eine Stauelementschicht (19) ist mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum (12) angeordnet. Erfindungsgemäss liegt bei dem Verfahren zur thermischen Behandlung die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Stauelementschicht (19) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Behandlung von Schüttgutmaterialien
Verschiedene Verfahren zur thermischen Behandlung, insbesondere Erwärmung oder Abkühlung, aber auch Kristallisation, von Schüttgutmaterialien unter Einwirkung eines Behandlungsgases sind im Stand der Technik bekannt. Dabei spielen die Durchsatzmenge an Schüttgutmaterial im Vergleich zur Behandlungsgasmenge sowie die Gasgeschwindigkeit, mit der das Schüttgutmaterial durchströmt wird, eine entscheidende Rolle. So kann zum Beispiel in einem kontinuierlich durchflossenen Festbettreaktor die Gasmenge so gewählt werden, dass ein vollständiger Wärmeaustausch zwischen Schüttgutmaterial und Behandlungsgas statt findet. Dazu muss die Gasgeschwindigkeit so gewählt werden, dass sie unter dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt und so eine Rückmischung im Festbettreaktor verhindert wird. Bei dem daraus resultierenden, geringen Wärmeübergangskoeffizienten ist die Verweilzeit, um den Wärmeaustausch im Reaktor zu gewährleisten, aber sehr hoch. Es ist bekannt, in Festbettreaktoren Stauelemente einzusetzen, um den Produktdruck zu reduzieren und eine Relativbewegung zwischen den Granulaten zu erzeugen. Dies wird zum Beispiel in DE 27 23 549, Gey, oder in US 6010667, Meyer, beschrieben. Die geringe Gasgeschwindigkeit, der langsame Wärmeübergang sowie die lange Verweilzeit bleiben aber bestehen.
Demgegenüber kann in einem Wirbelbett- oder Sprudelbettreaktor eine hohe Gasgeschwindigkeit eingesetzt werden, was zu einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten und somit kürzeren Verweilzeiten führt. Der Nachteil ist aber, dass sich eine durchschnittliche Betttemperatur bildet an die sich das Schüttgutmaterial und das Behandlungsgas angleichen, und somit ein vollständiger Wärmeaustausch nicht möglich ist. Etwas besser ist die Situation, wenn ein Wirbelbett- oder Sprudelbettreaktor in mehrere hintereinander liegende Bereich unterteilt wird, womit sich eine gute Angleichung der Schüttgutaustrittstemperatur an die Gaseintrittstemperatur erreichen lässt. Nachteilig bleibt aber, dass das Behandlungsgas aus den verschiedenen Bereichen unterschiedliche Austrittstemperaturen aufweist und sich somit nur teilweise an die Schüttguteintritts- temperatur angleicht. Ebenso nachteilig ist die insgesamt hohe Behandlungsgasmenge im Vergleich zur Durchsatzmenge an Schüttgutmaterial.
Die oben beschriebenen Nachteile werden im Stand der Technik gelöst, indem eine Vielzahl an Wirbelbett- oder Sprudelbettreaktoren oder Reaktorbereiche so angeordnet werden, insbesondere übereinander, dass das Behandlungsgas im Gegenstrom zum Schüttgutmaterial durch alle Reaktorbereiche fliesst. (R. Perry, Chemical Engineers Handbook, Fifth Edition, Abbildung 20-87; McGraw-Hill). Dazu sind Trennböden notwendig, die den Produktdurchtritt nach unten verhindern, den Behandlungsgasdurchtritt nach oben aber erlauben. Gleichzeitig sind die Reaktorbereiche über Produktdurchtritte miteinander verbunden. Nachteilig sind bei dieser Anordnung der komplexe und teure Aufbau der Apparate, die ungenutzte Behandlungsgasmenge, die durch die Produktdurchtritte anstatt durch die Trennböden von einem Reaktorbereich in den nächsten fliesst, oder die notwendigen Sperrvorrichtungen, um dies zu verhindern, sowie die Gefahr, dass die Öffnungen für den Behandlungsgasdurchtritt, insbesondere mit Staub aus dem Schüttgutmaterial, verstopfen.
Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, womit die oben genannten Nachteile vermieden werden können und die es erlauben, ein Schüttgutmaterial in einem Gasstrom mit einer minimalen Menge an Behandlungsgas in kurzer Zeit zu erwärmen oder abzukühlen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, einen möglichst vollständigen Temperaturausgleich zwischen Schüttgutmaterial und Behandlungsgas in kurzer Zeit zu erreichen.
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung gemäss Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäss Anspruch 25 gelöst.
Erfindungsgemäss wird ein Verfahren zur Behandlung eines Schüttgutmateriales in einer Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung, die zumindest einen Behandlungsraum, eine Einfüllöffnung und eine Austragsöffnung für das Schüttgutmaterial sowie eine Zuführeinrichtung und eine Wegführeinrichtung für ein Behandlungsgas aufweist, mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten versehen wird, und die Stauelementschichten sowohl vom Behandlungsgas, wie auch vom Schüttgutmaterial durchströmt werden können.
Erfindungsgemäss wird eine Vorrichtung zur Behandlung eines Schüttgutmateriales, die zumindest einen Behandlungsraum, eine Einfüllöffnung und eine Austragsöffnung für das Schüttgutmaterial sowie eine Zuführeinrichtung und eine Wegführeinrichtung für ein Behandlungsgas aufweist, mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten versehen, wobei die Stauelementschichten eine Durchlassfläche von zwischen 40% und 98% offen lassen und/oder im Notfall eine Reinigung der Vorrichtung zulassen.
Der Behandlungsraum der Vorrichtung wird von einem Gehäuse umgeben. Der horizontale Querschnitt des Behandlungsraumes kann eine beliebige Form aufweisen, ist bevorzugterweise aber rund oder rechteckig. Der Behandlungsraum ist im Wesentlichen vertikal angeordnet, so dass das Schüttgutmaterial die Vorrichtung entweder von oben nach unten oder von unten nach oben durchfliessen kann. Wichtig ist dabei, dass ein gleichmässiger Produktfluss erreicht werden kann. Der Behandlungsraum wird seitlich durch einen Mantel begrenzt. Die Mantelwand kann dabei aus zylindrischen, konischen oder aus einer Kombination aus konischen und zylindrischen Segmenten bestehen, wodurch sich die Gasgeschwindigkeitsverteilung über die Höhe der Vorrichtung beeinflussen lässt. Eine Aufweitung im Deckenbereich erlaubt dabei eine Reduktion der Gasgeschwindigkeit, was den Austrag von Schüttgutmaterial verhindert.
Eine Verengung im Deckenbereich erlaubt eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit, was zu einer stärkeren Verwirbelung führt, wodurch sich allfällige Verklebungen verhindern lassen.
Eine besondere Ausführung sieht einen wenigstens annähernd rotationssymmetrischen Gehäusemantel vor, was fertigungstechnische Vorteile, sowie Vorteile für einen regel- mässigen Produktfluss ergibt. Im Innern des Behandlungsraumes kann ein Verdrängerkörper angeordnet sein, der nicht vom Schüttgutmaterial durchflössen wird und somit den Behandlungsraum verkleinert. Solche Verdrängerkörper können zum Beispiel zur Durchführung von Behandlungsgas, zur Anpassung der freien Querschnittsfläche oder zur Verbesserung des Schüttgutmaterialflusses eingesetzt werden.
Eine Vorrichtung kann durch den Einsatz von Trennwänden in mehrere Kammern unterteilt werden, wobei eine Produktverteilung auf mehrere Kammern gleichzeitig oder eine Produktführung von einer Kammer zur nächsten denkbar ist. Zumindest eine Kammer bildet dabei einen Behandlungsraum mit den kennzeichnenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
Zumindest eine Einfüllöffnung mündet in den Behandlungsraum, so dass zu behandelndes Schüttgutmaterial in den Behandlungsraum eingeführt werden kann. Bei der Einfüllöffnung kann es sich zum Beispiel um eine Öffnung im Gehäuse oder um den Austritt aus einem Rohr, das in das Gehäuse geführt wird, handeln. Die Einfüllöffnung kann in mehrere Segmente unterteilt sein, was eine Verteilung des Schüttgutes im Behandlungsraum erlaubt. Üblicherweise befindet sich die Einfüllöffnung im Deckenbereich des Behandlungsraumes.
Zumindest eine Austragsöffnung mündet in den Behandlungsraum, so dass behandeltes Schüttgutmaterial aus dem Behandlungsraum ausgetragen werden kann. Bei der Austragsöffnung kann es sich zum Beispiel um eine Öffnung im Gehäuse oder um den Eintritt in ein Rohr, das aus dem Gehäuse heraus geführt wird, handeln. Zweckmässi- gerweise befindet sich die Austragsöffnung im Bodenbereich des Behandlungsraumes, wobei das Schüttgutmaterial bevorzugterweise durch einen konischen Bereich der Austragsöffnung zugeführt wird. Der Winkel des Auslaufkonus beträgt zur Horizontalen bevorzugterweise 50 - 80°, wenn das Schüttgutmaterial im Austragskonus nicht fluidisiert oder vibriert wird, und 15 - 60°, insbesondere 30 - 50°, wenn das Schüttgutmaterial im Austragskonus fluidisiert oder vibriert wird.
Alternativ kann das Schüttgutmaterial auch mittels einer mechanischen Austragsvorrich- tung, wie zum Beispiel einer Schnecke, der Austragsöffnung zugeführt werden. Unter- halb der Austragsöffnung kann sich ein Sperrelement, wie zum Beispiel eine Zellradschleuse, eine horizontal angeordneten Austragswalze oder ein automatischer Schieber befinden, mit dessen Hilfe der Schüttgutabfluss aus dem Behandlungsraum geregelt wird. Als Regelgrösse kann dabei zum Beispiel die Füllhöhe des Schüttgutmaterials im Behandlungsraum oder das Gewicht des Schüttgutes in der Vorrichtung dienen.
Im Bodenbereich des Behandlungsraumes befindet sich zumindest eine Zufuhreinrichtung für ein Behandlungsgas. Die Zufuhreinrichtung weist zumindest eine Eintrittsöffnung auf, durch die Behandlungsgas in den Behandlungsraum strömt.
Die Zuführeinrichtung für ein Behandlungsgas kann Vorrichtungen, wie zum Beispiel nach unten offene Kegel oder Dachreihen sowie Leitungen oder Bleche mit Austrittsbohrungen, umfassen, solange eine ausreichend gleichmässige Verteilung des Behandlungsgases erfolgt. Eine besondere Ausführung sieht vor, dass der Behandlungsraum nach unten durch eine zumindest teilweise gasdurchlässige Absperreinrichtung, insbesondere ein Lochblech mit einer Vielzahl an Eintrittsöffnungen, begrenzt wird, die von Prozessgas zumindest stellenweise, nicht aber vom Schüttgut durchströmt werden kann. Dazu sind die Öffnungen kleiner als der Durchmesser der Schüttgutpartikel. Die Durchlassfläche weist bevorzugterweise zwischen 1% und 30% auf. Bevorzugt sind Öffnungen zwischen 20 und 90%, insbesondere zwischen 30 und 80% des Durchmessers der Schüttgutpartikel. Die Anzahl und Grosse der Öffnungen kann dabei gleich- massig oder ungleichmässig sein. Die Absperreinrichtung ist konisch oder horizontal angeordnet.
Unterhalb der Absperreinrichtung kann sich ein Verteilerraum befinden, durch den Behandlungsgas zur Absperrvorrichtung geführt wird. In diesem Verteilerraum mündet zumindest eine Zufuhröffnung für Behandlungsgas. Weiterhin können Vorrichtungen zur Verteilung des Prozessgases, wie Staubleche, Ventile oder Klappen, wie auch getrennte Kanäle zur individuellen Prozessgaszufuhr angeordnet sein.
Alternativ kann der Behandlungsraum nach unten durch eine nicht gasdurchlässige Absperreinrichtung begrenzt sein. In diesem Fall kann es sich bei der zumindest einen Zufuhreinrichtung für ein Behandlungsgas, um eine Öffnung im Gehäuse, um den Aus- tritt aus einem Rohr oder mehreren Rohren, die in das Gehäuse geführt werden, oder um ein einzelnes Dach oder eine Dachreihe, die entweder mit Löchern versehen oder nach unten offen sind, handeln. Dabei kann ein allfälliger Verdrängerkörper zur Gaszufuhr verwendet werden.
Zweckmässigerweise ist die Zufuhreinrichtung für das Behandlungsgas direkt oder indirekt mit Rohrleitungen oder Kanälen verbunden, durch die eine Verbindung zu Einrichtungen zur Vorbehandlung des Prozessgases, wie zum Beispiel Verdichtungseinrichtungen (z. B. Ventilatoren, Gebläsen oder Kompressoren), Wärmetauschern oder Reinigungseinrichtungen (z. B. Filter, Zyklone oder katalytische Verbrennungseinrichtungen), hergestellt wird.
Eine besondere Ausführung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zusätzlich zur zumindest einen Zufuhreinrichtung für Behandlungsgas im Bodenbereich des Behandlungsraumes zumindest eine weitere Zufuhreinrichtung für Behandlungsgas in den Behandlungsraum mündet, wodurch sich eine mehrstufige Wärmezufuhr oder Wärmeweg- fuhr, sowie ein mehrstufiges Gasgeschwindigkeitsprofil erreichen lässt.
Im Deckenbereich des Behandlungsraumes befindet sich zumindest eine Wegführeinrichtung für das Behandlungsgas. Bei der Wegführeinrichtung kann es sich zum Beispiel um eine Öffnung im Gehäuse oder um den Eintritt in ein Rohr, das aus dem Gehäuse heraus geführt wird, handeln. Die Wegführeinrichtung kann sich dabei im Mantel oder der Decke des Behandlungsraumes befinden.
In oder unterhalb der Wegführeinrichtung können sich Vorrichtungen befinden, die den Durchtritt von Prozessgas erlauben, den Durchtritt von Schüttgut aber behindern. Dies kann zum Beispiel durch einen gebogenen oder umgelegten Durchflusskanal oder mit Hilfe von ablenkenden Einbauten, wie zum Beispiel einem Zick-Zack-Abscheider, erfolgen. Üblicherweise ist die Wegführeinrichtung für das Behandlungsgas direkt oder indirekt mit Rohrleitungen oder Kanälen verbunden, durch die eine Verbindung zu Einrichtungen zur Nachbehandlung des Prozessgases, wie zum Beispiel Verdichtungseinrichtungen (z. B. Ventilatoren, Gebläsen oder Kompressoren), Wärmetauschern oder Reinigungseinrichtungen (z. B. Filter, Zyklone oder katalytische Verbrennungseinrichtun- gen), hergestellt wird. Zwischen der Wegführeinrichtung und Zufuhreinrichtung für das Behandlungsgas kann ein geschlossener oder teilweise geschlossener Kreislauf bestehen.
Erfindungsgemäss befinden sich im Behandlungsraum eine Vielzahl von Stauelementschichten, wobei es sich bei den Stauelementschichten zum Beispiel um Netze, Gitter oder Roste oder eine Kombination daraus handelt. Alternativ kann eine Stauelementschicht auch aus einer Vielzahl an individuellen Staukörpern aufgebaut sein. Die Stauelementschichten sind so ausgeführt, dass sie sowohl von Behandlungsgas wie auch von Schüttgutmaterial durchströmt werden können. Dazu wird eine hohe Durchlassfläche benötigt. Die Durchlassfläche ergibt sich dabei aus dem Querschnitt durch den Behandlungsraum auf der Höhe einer Stauelementschicht, wobei die Durchlassfläche gleich der vom Schüttgutmaterial durchströmten Fläche geteilt durch die freie Querschnittsfläche des Behandlungsraumes entspricht. Allfällige Verdrängerkörper im Behandlungsraum gehören dabei nicht zur freien Querschnittsfläche des Behandlungsraumes. Erfindungsgemäss beträgt die Durchlassfläche 40% bis 98%. Bevorzugt beträgt die Durchlassfläche zwischen 50% und 90%, insbesondere zwischen 60% und 80%.
Um den Schüttgutmaterialfluss zu gewährleisten, sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite aufweisen, die 4 bis 40 Mal grösser ist als der durchschnittliche Schüttgutpartikeldurchmesser. Als Durchgangsbreite gilt dabei der Abstand zwischen zwei Stauelementen einer Stauelementschicht. Ist der Abstand auf einer Achse geringer als auf der anderen, so wird der geringere Abstand als Durchgangsbreite bezeichnet. Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate mit einem mittleren Durchmesser von 0.4 mm bis 5 mm, so sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 4 mm bis 50 mm aufweisen.
Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um ein Pulver mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 0.4 mm, so sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 1 mm bis 20 mm aufweisen. Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um Schnitzel oder Flocken mit einer maximalen Länge von 10 mm bis 40 mm, so sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 20 mm bis 200 mm aufweisen. Zweckmässigerweise sind im Behandlungsraum zwischen 3 und 100 Stauelementschichten angeordnet, wobei bevorzugterweise mehr als 5, insbesondere mehr als 10, Stauelementschichten im Behandlungsraum angeordnet sind. Mehr als 100 Stauelementschichten sind denkbar, führen aber zu einer sehr grossen Bauhöhe der Vorrichtung, was in vielen Fällen nicht erwünscht ist.
Die Stauelementschichten sollen so angeordnet sein, dass die Schüttgutbehandlung möglichst gleichmässig erfolgt. Dazu soll üblicherweise zumindest eine Stauelementschicht im wesentlich horizontal im Behandlungsraum angeordnet sein, wobei bevorzugterweise zumindest 5 Stauelementschichten im wesentlich horizontal im Behandlungsraum angeordnet sind.
Zweckmässigerweise soll sich zumindest eine Stauelementschicht im Wesentlichen über die gesamte freie Querschnittsfläche des Behandlungsraumes erstrecken, wobei sich bevorzugterweise zumindest 5 Stauelementschichten im Wesentlichen über die gesamte freie Querschnittsfläche des Behandlungsraumes erstrecken sollen. Kleine offene Flächen können zum Beispiel an den Rändern der Stauelementschichten oder deren Segmenten vorhanden sein. Die offenen Flächen sollen aber maximal 10% der freien Querschnittsfläche des Behandlungsraumes umfassen.
Im Wesentlichen sind die Stauelementschichten übereinander angeordnet.
Zwischen den Stauelementschichten befinden sich eine Vielzahl von Behandlungsschichten.
Zumindest eine Behandlungsschicht weist eine Höhe von 10 - 300 mm auf. Zweckmässigerweise weisen zumindest 5 Behandlungsschichten eine Höhe von 10 - 300 mm auf. Bevorzugterweise weisen die Behandlungsschichen eine Höhe von mehr als 20 mm, insbesondere mehr als 30 mm auf. Bevorzugterweise weisen die Behandlungsschichten eine Höhe von weniger als 200 mm, insbesondere weniger als 100 mm auf. In den Behandlungsschichten können sich Einbauten zur Wärmezufuhr oder Abfuhr befinden, die aber keine vollständige Stauelementschicht bilden.
Die Stauelementschichten können direkt mit dem Gehäusemantel verbunden sein oder über eine separate Trägerstruktur im Behandlungsraum angeordnet sein.
Eine trennbare Verbindung zwischen den Stauelementschichten und dem Gehäusemantel oder der Trägerstruktur ist bevorzugt.
Obwohl dies durch die Stauelementschichten im normalen Betriebszustand verhindert wird, besteht bei der thermischen Behandlung von Schüttgutmaterialien mit erhöhter Klebeneigung bei einer Fehlbedienung die Gefahr, dass sich in den Behandlungsschichten Agglomerate bilden, die die Stauelementschichten nicht mehr durchfliessen können. Um in dieser Situation eine Reinigung der Vorrichtung zu gewährleisten, können in der Vorrichtung Öffnungen vorgesehen werden, durch die allfällige Agglomerate entfernt werden können oder zerstört werden können. Erfindungsgemäss soll dazu die Höhe einer Behandlungsschicht gering gehalten werden, das heisst unter 100mm gehalten werden, wodurch die Grosse allfälliger Agglomerate limitiert ist, oder die Stauelementschichten sollen mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum angeordnet sein, wodurch eine Entfernung einzelner Stauelementschichten und Behandlungsschichten oder eines Paketes aus Stauelementschichten und Behandlungsschichten ermöglicht wird.
Als trennbare Verbindung werden dabei zum Beispiel Verbindungen durch Schrauben, Klemmen oder Auflegen bezeichnet, was im Gegensatz zu festen Verschweissungen oder Fertigungen aus einem Stück steht.
Im Gehäuse der Vorrichtung können weitere Öffnungen vorgesehen sein, wie zum Beispiel Schaugläser, Reinigungsöffnungen, Zugangsöffnungen oder Öffnungen für Messfühler. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn sich die Vorrichtung im Deckenbereich zum Beispiel durch eine Flanschverbindung öffnen lässt und/oder wenn sich die Vorrichtung im Bodenbereich zum Beispiel durch eine Flanschverbindung öffnen lässt. Eine Stauelementschicht besteht aus einer Vielzahl einzelner Stauelemente. Bei den einzelnen Stauelementen kann es sich um Bleche, Stäbe, Drähte, Rohre oder einzelne Staukörper oder eine Kombination daraus handeln. Die einzelnen Stauelemente sollen so angeordnet sein, dass eine Ablagerung von Schüttgutmaterial vermieden wird, insbesondere sollen Bleche im Wesentlichen hochkant oder nur leicht (max. 30°) abgewinkelt verwendet werden.
Die einzelnen Stauelemente sollen so aufgebaut sein, dass sie der Belastung durch das bewegte Schüttmaterial standhalten, aber gleichzeitig keine grossen Totzonen verursachen. Bevorzugt sind Querschnittsflächen von 0.03 bis 20 cm2, insbesondere 0.07 bis 1 cm2. Allfällige Stützkonstruktionen können jedoch grossere Querschnittsflächen aufweisen. Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einem Gitter, insbesondere Gewebe einzelner, sich kreuzender Drähte besteht. Um genügend Festigkeit aufzuweisen, sollen die einzelnen Drähte eine Dicke von 2.5 bis 10 mm aufweisen, wobei Drahtdicken von grösser oder gleich 3 mm bevorzugt sind. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einzelnen Stäben oder Drähten, die sternförmig oder parallel zueinander angeordnet sind, aufgebaut ist. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einzelnen Rohren als Rost aufgebaut ist. Hierbei besteht zusätzlich die Möglichkeit, dass die Rohre von einem Wärmeträgermedium durchflössen werden, wodurch sich Wärme in den Behandlungsraum eintragen oder austragen lässt. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einzelnen Staukörpern besteht, wobei die Staukörper horizontal miteinander verbunden sein können oder vertikal mit Staukörpern anderer Stauelementschichten verbunden sein können. Die einzelnen Staukörper sind bevorzugterweise nach oben konisch.
Einzelne Stauelemente können zu Abschnitten oder Segmenten zusammengefasst sein, wobei sich aus einigen Abschnitten oder Segmenten eine Stauelementschicht zusammensetzen lässt.
Weisen die Stauelemente eine Richtung oder Orientierung auf, so können einzelne Schichten zueinander versetzt und/oder verdreht angeordnet sein. Die Vorrichtung oder Teile der Vorrichtung, insbesondere eine oder mehrere Stauelementschichten, können mit einem Schwingungsgeber verbunden sein, der die Vorrichtung oder Teile davon in Vibration versetzt.
Erfindungsgemäss durchströmt das Behandlungsgas den Behandlungsraum im Wesentlichen von unten nach oben. Die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases soll in zumindest einer Stauelementschicht über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegen. Üblicherweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Stauelementschichten über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.
Bevorzugterweise soll die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in den Stauelementschichten zwischen 10% und 150%, insbesondere zwischen 20% und 75% über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegen.
Gemäss einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.
Zweckmässigerweise liegt dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Behandlungsschichten über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.
Bevorzugterweise soll dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in den Behandlungsschichten zwischen 1% und 100%, insbesondere zwischen 2% und 50% über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegen.
Eine besondere Ausführung sieht vor, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Behandlungsschichten unter dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt, in 5 angrenzenden Stauelementschichten jedoch über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Als Lockerungspunkt wird die Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet, bei der sich die Schüttung im losesten Zustand befindet. Die Bestimmung des Lockerungspunktes aus einer Messung eines Druckverlustverlaufs ist im VDI Wärmeatlas 5. Auflage 1988, im Kapitel Lf, Bild 4 dargestellt. Eine näherungsweise Berechnung kann aus "Wärme und Stoffübertragung in der Wirbelschicht; H. Martin; Chem. Ing. Tech 52 (1980) Nr 3, S199 - 209" entnommen werden. Für die Porosität (P) wird eine Berechnung aus der Partikelgeometrie angewandt, wobei für
P = (1/14/Os)Λ(1/3) und
Os = Oberfläche der Kugel gleichen Volumens / Partikeloberfläche gilt.
Für nicht kugelförmige Schüttgutpartikel kann der Durchmesser der volumengleichen Kugel eingesetzt werden.
Alternativ lässt sich die Porosität auch aus dem Schüttgewicht im Lockerungspunkt und der Produktdichte berechnen als P = 1- Schüttdichte/Produktdichte.
Treten starke Abweichungen der Porositätswerte nach den beiden Berechnungsarten auf, so muss auf jeden Fall eine Messung durchgeführt werden.
Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate, insbesondere mit einem mittleren Durchmesser von 1.4 bis 5 mm und einer Temperatur zwischen 0 °C und 3000C, so wird der Lockerungspunkt bei einer Gasgeschwindigkeit von ca. 0.6 bis 2 m/s erreicht.
Der mittlere Durchmesser entspricht dabei dem durchschnittlichen Durchmesser der volumengleichen Kugeln der Granulate.
Bevorzugt sind Gasgeschwindigkeiten im Bereich von 0.5 - 4 m/s, insbesondere grösser als 0.7 m/s und/oder insbesondere kleiner 2 m/s.
Die Gasgeschwindigkeit entspricht dabei der Leerrohrgeschwindigkeit, also der Gasmenge pro Zeit geteilt durch den Querschnitt des Behandlungsraumes. Durch den Wärmeaustausch zwischen Schüttgutpartikeln und Behandlungsgas kann sich die Temperatur des Behandlungsgases und damit auch dessen Strömungsgeschwindigkeit von unten nach oben im Behandlungsraum verändern. Um diese Veränderung auszugleichen, kann entweder der Mantel um den Behandlungsraum zumindest stellenweise konisch ausgebildet sein oder im Behandlungsraum können Verdrängungskörper angeordnet sein, die die Querschnittsfläche des Behandlungsraumes im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit verkleinern.
Ein ausreichender Ausgleich wird erreicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im unteren Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VU besitzt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VO besitzt, wobei vzw. die Beziehung VU/(VU+VO) = 0.33 bis 0.67, insbesondere, VU/(VU+VO) = 0.39 bis 0.61 , erfüllt ist.
Eine besondere Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass das Schüttgutmaterial den Behandlungsraum von oben nach unten durchströmt. Wird dabei ein heisses Schüttgutmaterial abgekühlt, so erwärmt sich das Behandlungsgas von unten nach oben. Um die daraus resultierende Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Behandlungsgases zu kompensieren, soll die Querschnittsfläche in den oberen Behandlungsschichten grösser sein, als in den unteren Behandlungsschichten. Umgekehrt kühlt das Behandlungsgas bei einem Verfahren zum Erwärmen eines Schüttgutmaterials von unten nach oben ab. Um die daraus resultierende Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit des Behandlungsgases zu kompensieren kann die Querschnittsfläche in den oberen Behandlungsschichten kleiner sein, als in den unteren Behandlungsschichten. Eine weitere Möglichkeit, die nach oben hin abnehmende Strömungsgeschwindigkeit des Behandlungsgases zu kompensieren oder sogar eine höhere Geschwindigkeit in den oberen Behandlungsschichten zu erzielen, lässt sich durch eine starke Reduktion der Querschnittsfläche oder durch eine zusätzliche Zufuhreinrichtung für Behandlungsgas erreichen, was besonders bei der Kristallisation amorpher Granulate von Vorteil ist, da dadurch ein Verkleben der Granulate verhindert werden kann. Eine besondere Ausführung sieht dazu vor, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im Bodenbereich des Behandlungsraumes zwischen 0,7 m/s und 2 m/s beträgt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes zwischen 1.5 und 4 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt. Mit dieser Ausführung lässt sich im oberen Bereich des Behandlungsraumes eine stärkere Rückvermischung erreichen, was vor allem zur Behandlung von kristallisierbaren Schüttgütern und insbesondere deren Kristallisation vorteilhaft ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführung erfolgt die Behandlung des Schüttgutmaterials derart, dass eine möglichst gute Angleichung der Schüttguttemperatur an die Eintrittstemperatur des Behandlungsgases und der Behandlungsgastemperatur an die Eintrittstemperatur des Schüttgutes erfolgt.
Insbesondere erfolgt die thermische Behandlung bevorzugterweise derart, dass das Behandlungsgas eine Eintrittstemperatur TiG und eine Austrittstemperatur TaG aufweist, dass das Schüttgutmaterial eine Eintrittstemperatur TiP und eine Austrittstemperatur TaP aufweist und dass sich TaP im Wesentlichen an TiG angleicht und dass sich TaG im Wesentlichen an TiP angleicht, was sich durch die Temperaturangleichung (TiP + TaP -TiG - TaG)/(TiP-TiG) kleiner als 0.5, insbesondere kleiner als 0.4, berechnen lässt. Bei optimaler Prozessführung können sogar Werte unter 0.3 erreicht werden. Ein derart guter Wärmeaustausch lässt sich mit herkömmlichen Wirbelbett oder Fliessbet- reaktoren nicht erreichen, sondern bedarf eines Festbettreaktors. Durch den raschen Temperaturaustausch in der erfindungsgemässen Vorrichtung, ist es aber möglich, ein Schüttgutmaterial mit deutlich kürzeren Behandlungszeiten wie in einem Festbettreaktor thermisch zu behandeln. Behandlungszeiten in der erfindungsgemässen Vorrichtung sind üblicherweise unter 1 Stunde, insbesondere unter 30 Minuten. Bevorzugt sind Behandlungszeiten zwischen 1 und 25 Minuten. Bei der Behandlungszeit ist die Zeit, in der sich das Schüttgutmaterial ohne oder nur mit geringer Behandlungsgasdurchströmung im Auslaufbereich, zum Beispiel einem Auslaufkonus, befindet, nicht berücksichtigt.
Eine weitere besondere Ausführung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Partikel, insbesondere Granulate, eines oder mehrere Polymere handelt. Bei den Polymeren kann es sich um ein Neumaterial oder um ein Rezyklat handeln. Die Polymeren können weitere Substanzen als Additive enthalten.
Besonders bevorzugt sind Polykondensate, wie zum Beispiel, Polyamid, Polyester, Po- lykarbonat, Polylactid, Polyhydroxyalkanoate oder deren Copolymere, insbesondere Polyethylenterephthalat oder eines seiner Copolymere, wobei auch Mischungen verschiedener Polykondensate verwendet werden können.
Um die Füllhöhe des Schüttgutmaterials in der erfindungsgemässen Vorrichtung auch bei sich ändernder Gasgeschwindigkeit und somit auch sich änderndem Schüttgewicht des Schüttgutmaterials im Wesentlichen konstant zu halten, kann sich die Vorrichtung auf einer Wägezelle befinden, oder es kann eine Sonde zur Messung der Füllhöhe eingesetzt werden.
Mittels der Füllhöhe, der Behandlungszeit und dem Abstand der Stau elementschichten lässt sich eine durchschnittliche Verweilzeit in einer Behandlungsschicht berechnen. Um einen gleichmässigen Wärmeaustausch zwischen Produkt und Behandlungsgas zu gewährleisten, soll die Verweilzeit in einer Behandlungsschicht zwischen 0.05 und 10 Minuten betragen. Bevorzugt sind Zeiten über 0.1 Minuten, insbesondere über 0.2 sowie unter 5 Minuten, insbesondere unter 3 Minuten.
Eine besondere Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Einfüllöffnung für das Schüttgutmaterial in den unteren Teil des Behandlungsraumes mündet. Dadurch fliesst das Schüttgutmaterial von unten nach oben durch den Behandlungsraum, wodurch sich ein Gleichstrom mit dem Behandlungsgas ergibt. Der Vorteil dieser Betriebweise ist ein rascher Anstieg der Schüttguttemperatur auch dann, wenn kleine Behandlungsgasmengen verwendet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren kann einen eigenständigen Verfahrensschritt zur thermischen Behandlung, wie zum Beispiel Erwärmen, Kühlen, Trocknen, Konditionieren, Kristallisieren, Entgasen, von Schüttgutmaterialien darstellen, oder in Kombination mit weiteren Verfahrensschritten verwendet werden. So ist zum Beispiel eine Verwendung in Anlagen zur Kristallisation, zur Fest- phasen-Polykondensation, zur Trocknung oder zur Monomerentgasung möglich.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann dazu unabhängig von weiteren Prozessapparaten aufgestellt sein oder in einen komplexen Prozessapparat integriert sein. So kann die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Beispiel als Aufheizstufe vor einem Schachtreaktor oder als Kühlstufe nach einem Schachtreaktor angeordnet sein. Eine andere Kombination nutzt die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Homogenisierung nach einem Wirbelschichtapparat.
Die in den verschiedenen Apparaten oder Apparateteilen verwendeten Prozessgase können dabei unabhängig voneinander oder miteinander gekoppelt eingesetzt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Anwendungsmöglichkeiten können den nachfolgend beschriebenen Figuren entnommen werden, wobei:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht entlang einer vertikalen Schnittebene einer ersten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist;
Fig. 2 einen Ausschnitt einer Stauelementschicht gemäss einer zweiten
Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt;
Fig. 3a, schematische Ansichten gemäss einer dritten, einer vierten und einer
3b und 3c fünften Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung sind;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Segments einer Stauelementschicht gemäss einer sechsten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist; und
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht entlang einer vertikalen Schnittebene des unteren Teils einer siebten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Behandlungsraum (12), der nach oben von einem Gehäusedeckel (10) und nach unten von einem Lochblech (15) abgeschlossen ist, sowie von einem Gehäusemantel (11) umgeben ist. Im Deckenbereich (18) befindet sich eine Einfüllöffnung (13) für Schüttgutmaterial und eine Wegführeinrichtung (17) für Behandlungsgas. Im Bodenbereich (16) befindet sich eine Aus- tragsöffnung (14) für Schüttgutmaterial. Das Lochblech (15) wirkt als Zufuhreinrichtung, durch die Behandlungsgas in den Behandlungsraum (12) fliesst. Die Austragsöffnung (14) wird nach unten durch eine Zellradschleuse (24) abgesperrt. Im Behandlungsraum (12) befindet sich eine Vielzahl an Gitternetzen (19a - n) als Stauelementschichten. Dazwischen entsteht eine Vielzahl an Behandlungsschichten (21a - n) die jeweils nach oben und unten von einer Gitterschicht begrenzt werden. Unter dem Lochblech (15) befindet sich ein Verteilerraum (22) für das Behandlungsgas, in den eine Zufuhröffnung (23) für Behandlungsgas mündet. Die einzelnen Stauelementschichten (19a - n) sind an einer Trägerstruktur (26) befestigt. Im Deckenbereich (18) verbindet ein Flansch (25) den Gehäusemantel (11 ) mit dem Gehäusedeckel (10). Durch Lösen des Flansches (25) lässt sich die Vorrichtung öffnen, und die Stauelementschichten (19a - n) lassen sich an der Trägerstruktur (26) nach oben entnehmen.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Stauelementschicht (19) aus einer Vielzahl einzelner Stauelemente (20a - n), wobei es sich bei der Stauelementschicht um ein Gitternetz aus einer Vielzahl an Drähten handelt. Der minimale Abstand zwischen den Drähten entspricht dabei der Durchgangsbreite (LD). Die Durchlassfläche umfasst dabei die Summe aller Maschenflächen AM zwischen den Stauelementen (20a - n) plus die Randflächen AR zwischen den Stauelementen und dem Gehäusemantel (11 ) im Verhältnis zur freien Querschnittsfläche im Behandlungsraum.
Fig. 3a, 3b und 3c zeigen weitere mögliche Aufbauten und Anordnungen von zwei Stauelementschichten (19a - b), zwischen denen sich jeweils ein Behandlungsraum (21a) befindet. Für die Figuren 3a und 3b ist entlang der Schnittlinie L jeweils die Durchgangsbreite LD sowie die Stauelementbreite Ls sichtbar, woraus sich auch die Durchlassfläche als Summe aller LD multipliziert mit deren Länge im Verhältnis zur freien Querschnittsfläche im Behandlungsraum berechnet lässt. Fig. 3a zeigt dabei eine Vielzahl an Rohren als Stauelemente (20a - n), die von einer Schicht zur nächsten jeweils um 90° versetzt angeordnet sind. Die Rohre können von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt werden, was durch die Eintrittsöffnung (28) angedeutet ist.
Fig. 3b zeigt dabei eine Vielzahl an leicht schräg angeordneten Leitblechen als Stauelemente (20a - n), die von einer Schicht zur nächsten jeweils gespiegelt angeordnet sind.
Fig. 3c zeigt eine Vielzahl an bi-konischen Staukörpern die von einer Stauelementschicht zur nächsten mittels einer Stange verbunden sind. Die Staukörper (20a - n) bilden eine Stauelementschicht (19a). Die Stäbe zu den darunter angeordneten Staukörpern bilden eine Vielzahl an Verdrängerkörpem in der Behandlungsschicht (21a).
Fig. 4 zeigt ein Segment (19a1) einer Stauelementschicht (19a). Aus einer Vielzahl solcher Stauelementsegmente ergibt sich eine runde, insbesondere kreisförmige Stauelementschicht mit einer runden, insbesondere kreisförmigen Aussparung für einen Verdrängerkörper in der Mitte. Die einzelnen Stauelemente (20b - n) sind sternförmig auf einer Trägerstruktur (20a) aufgebaut.
Fig. 5 zeigt den unteren Teil einer weiteren erfindungsgemässen Vorrichtung, wobei hier der Behandlungsraum (12) nach unten konisch abgeschlossen ist und ein Übergang in mehrere Auslaufkonen erfolgt, die in mehrere Austragsöffnungen (14a - n) münden. Im Zentrum des Behandlungsraumes (12) befindet sich ein Verdrängerkörper (27), durch den eine Zufuhröffnung für Behandlungsgas (23) mit einer Zufuhrvorrichtung für Behandlungsgas (15) verbunden ist.
Beispiel 1
In einem zylindrischen Schacht mit einer Prozesskammer mit 0.24 cm2 Querschnittsfläche und einem im unteren Teil konisch (mit 15° Neigung zur Horizontalen) angeordneten Lochblech sind im Abstand von 5 cm 22 Siebe mit einer Maschenweite von 14 mm und einer Drahtdicke von 3 mm angeordnet, die sich horizontal über die gesamte Reak- torfläche erstrecken. Die Durchlassfläche durch das Drahtgitter beträgt somit 68%. Im Zentrum des Lochbleches ist ein Austrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet. Im Austrittsrohr ist eine Zellradschleuse angeordnet. Im Deckenbereich ist ein Eintrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet.
Der Reaktor wird kontinuierlich von oben mit 600 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 1900C beschickt. Durch das Siebblech wird 765 Nm3/h Luft mit 42°C und 83 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe wird auf 110 cm konstant gehalten. Bei einem gelockerten Schüttgewicht von 714 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 18.6 Minuten. Die Verweilzeit zwischen zwei Stauelementschichten beträgt 0.8 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 7O0C ab, das Gas erwärmt sich auf 158°C.
Die Gasgeschwindigkeit nimmt dabei von unten nach oben von 1.0 auf 1.4 m/s zu.
Der berechnete Lockerungspunkt nimmt dabei von unten nach oben von 1.1 m/s auf 1.2 m/s zu. Da die Erwärmung des Gases und somit die Gasgeschwindigkeitszunahme rasch erfolgt, ist die Gasgeschwindigkeit in einem Grossteil des Reaktors über dem Lockerungspunkt.
Das Geschwindigkeitsverhältnis VU/(VU+VO) beträgt 0.40.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) beträgt 0.41.
Beispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, dass 670 Nm3/h Luft mit 440C und 81 mbar Überdruck zugeführt wurden.
Das Produkt kühlt auf 73°C ab, das Gas erwärmt sich auf 1770C.
Die Gasgeschwindigkeit nimmt dabei von unten nach oben von 0.8 auf 1.3 m/s zu.
Das Geschwindigkeitsverhältnis VU/(VU+VO) beträgt 0.39. Die Temperaturangleichung (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) beträgt 0.29.
Beispiel 3
In einem konischen Schacht mit einer Prozesskammer mit einer unteren Querschnittsfläche von 0.15 cm2, einer oberen Querschnittsfläche von 0.24 cm2 und einem im unteren Teil konisch (mit 60° Neigung zur Horizontalen) angeordneten Lochblech sind im Abstand von 5 cm 22 Siebe mit einer Maschenweite von 14 mm angeordnet, die sich horizontal über die gesamte Reaktorfläche erstrecken. Im Zentrum des Lochbleches ist ein Austrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet. Im Austrittsrohr ist eine Zellradschleuse angeordnet. Im Deckenbereich ist ein Eintrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet.
Der Reaktor wird kontinuierlich von oben mit 400 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 1900C beschickt. Durch das Siebblech wird 530 Nm3/h Luft mit 48°C und 85 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe wird auf 110 cm konstant gehalten. Bei einem gelockerten Schüttgewicht von 714 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 22.2 Minuten. Die Verweilzeit zwischen zwei Stauelementschichten beträgt zwischen 0.8 und 1.3 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 58°C ab, das Gas erwärmt sich auf 1650C.
Die Gasgeschwindigkeit nimmt dabei von unten nach oben von 1.1 auf 1.0m/s ab. Die Gasgeschwindigkeit in den Stauelementschichten nimmt dabei von unten nach oben von 1.6 auf 1.5 m/s ab. Der berechnete Lockerungspunkt nimmt dabei von unten nach oben von 1.1 auf 1.2 m/s zu. Die Gasgeschwindigkeit in den Stauelementschichten ist jeweils über dem Lockerungspunkt.
Das Geschwindigkeitsverhältnis VU/(VU+VO) beträgt 0.53.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP -TiG - TaG) / (TiP - TiG) beträgt 0.25. Vergleichsbeispiel 1
Ein aus dem Stand der Technik bekannter runder Wirbelbettapparat mit einer Prozesskammer mit 0.3 m2 Bodenfläche wird kontinuierlich mit 600 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 1900C beschickt.
Durch das Siebblech wird 2945 Nm3/h Luft mit 420C und 50 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe im Ruhezustand wird auf 40 cm konstant gehalten.
Bei einem Schüttgewicht von 785 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 9.4 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 700C ab, das Gas erwärmt sich auf 700C, was in diesem Fall einer einheitlichen Betttemperatur entspricht.
Die Gasgeschwindigkeit beträgt dabei 3.4 m/s. Der berechnete Lockerungspunkt beträgt dabei 1.2 m/s zu. Die Gasgeschwindigkeit im Reaktor ist somit über dem Lockerungspunkt.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) beträgt 1.
Vergleichsbeispiel 2
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Fliessbettapparat mit Pulsator, mit einer Prozesskammer mit 0.3 m2 Bodenfläche wird kontinuierlich mit 600 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 19O0C beschickt.
Durch das Siebblech wird 1434 Nm3/h Luft mit 420C und 20 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe im Ruhezustand wird auf 20 cm konstant gehalten.
Bei einem Schüttgewicht von 785 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 4.7 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 7O0C ab, das Gas erwärmt sich auf 1060C. Die Gasgeschwindigkeit beträgt dabei 1.7 m/s. Der berechnete Lockerungspunkt beträgt dabei 1.2 m/s zu. Die Gasgeschwindigkeit im Reaktor ist somit über dem Lockerungspunkt.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) beträgt 0.76.
Vergleichsbeispiel 3
In Beispiel 1 der Patentschrift DE 2723549, Gey, sind in einem Schachtreaktor mit 0.07 m2 Bodenfläche Siebe mit einer Maschenweite von 16 mm im Abstand von 10 cm angeordnet. Der Reaktor wird kontinuierlich mit 30 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2 mm Durchmesser) mit 2200C beschickt.
Dem unteren Teil des Reaktors werden 46.5 Nm3/h Luft mit 240°C zugeführt. Die Füllhöhe beträgt 300 cm.
Bei einem Schüttgewicht von 760 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 322 Minuten.
Die Verweilzeit zwischen den Sieben beträgt 11 Minuten.
Das Produkt erwärmt sich auf 2380C, das Gas kühlt auf 2200C ab.
Die Gasgeschwindigkeit beträgt dabei 0.32 m/s. Der berechnete Lockerungspunkt beträgt 1.3 m/s. Die Gasgeschwindigkeit im Reaktor ist also unter dem Lockerungspunkt.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP - TiG - TaG) / (TiP - TiG) beträgt 0.05. Tabelle 1
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Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass sich nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren entweder unter Verwendung grosser Gasmengen eine rasche Temperierung erreichen lässt, was aber zu einer schlechten Temperaturangleichung führt, oder sich bei der Verwendung geringerer Gasmengen eine gute Temperaturangleichung erreichen lässt, was aber sehr lange Verweilzeiten bedingt.
Demgegenüber lässt sich mit dem relativ einfachen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine rasche Temperierung bei gleichzeitig guter Temperaturangleichung erreichen.
Bezugszeichen
Gehäusedeckel Gehäusemantel Behandlungsraum Einfüllöffnung für Schüttgutmaterial Austragsöffnung für Schüttgutmaterial Zuführeinrichtung für Behandlungsgas Bodenbereich des Behandlungsraumes Wegführeinrichtung für Behandlungsgas Deckenbereich a - n Stauelementschichten a - n Stauelemente a - n Behandlungsschichten Verteilerraum für Gaseinlass Zuführöffnung für Behandlungsgas in Verteilerraum Zellradschleuse Flansch im Deckenbereich Trägerstruktur Verdrängerkörper Zufuhrleitung für Wärmeträgermedium

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Behandeln eines Schüttgutmateriales, welche aufweist:
> einen Behandlungsraum (12) zur Aufnahme des Schüttgutmateriales;
> mindestens eine Einfüllöffnung (13), durch die der Behandlungsraum (12) mit Schüttgutmaterial beschickbar ist;
> mindestens eine Austragsöffnung (14), durch die Schüttgutmaterial aus dem Behandlungsraum (12) austragbar ist;
> mindestens eine Zuführeinrichtung (15) für ein Behandlungsgas im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12);
> mindestens eine Wegführeinrichtung (17) für ein Behandlungsgas im Deckenbereich (18) des Behandlungsraumes (12);
> eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten (19a - n) im Behandlungsraum (12), wobei sich zwischen den Stauelementschichten eine Vielzahl von Behandlungsschichten (21a - n) befindet und die Stauelementschichten eine Durchlassfläche zwischen 40% und 98% aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine Stauelementschicht (19) im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Behandlungsraumes (12) erstreckt und dass zumindest eine der Behandlungsschichten (21 ) eine Höhe von weniger als 100 mm aufweist und/oder dass zumindest eine Stauelementschicht (19) mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum (12) angeordnet ist.
2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelementschichten (19a - n) Durchlassflächen grösser als 50%, insbesondere grösser als 60% und/oder kleiner als 90%, insbesondere kleiner als 80%, aufweisen.
3. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelementschichten (19a - n) Netze, Gitter und Roste oder eine Vielzahl individueller Staukörper umfassen.
4. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 3 und 100 Stauelementschichten (19a - n) im Behandlungsraum (12) angeordnet sind.
5. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 5, insbesondere mehr als 10, Stauelementschichten (19a - n) im Behandlungsraum (12) angeordnet sind.
6. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest 5 Stauelementschichten (19a - n) über den gesamten Querschnitt des Behandlungsraumes (12) erstrecken.
7. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsraum (12) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist.
8. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) im Wesentlichen horizontal im Behandlungsraum (12) angeordnet ist.
9. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 Behandlungsschichten (21a - n) eine Höhe von 10 mm bis 300 mm aufweisen.
10. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 Behandlungsschichen (21a - n) eine Höhe von mehr als 20 mm, insbesondere mehr als 30 mm aufweisen.
11. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 Behandlungsschichten (21a - n) eine Höhe von weniger als 200 mm, insbesondere weniger als 100 mm aufweisen.
12. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) aus einer Vielzahl einzelner Stauelemente (20a - n) besteht.
13. Vorrichtung gemäss Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Stauelemente (20a - n) Querschnittsflächen von 0.05 cm2 bis 20 cm2, insbesondere 0.07 cm2 bis 1 cm2 aufweisen.
14. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den einzelnen Stauelementen (20a - n) um Bleche, Stäbe, Drähte oder Rohre oder eine Kombination daraus handelt.
15. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) aus einem Gitter oder Gewebe einzelner Drähte besteht.
16. Vorrichtung gemäss Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Drähte eine Dicke grösser als 2.5 mm aufweisen.
17. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelemente (20a - n) von zumindest zwei Stauelementschichten (19a - n) versetzt und/oder verdreht zueinander angeordnet sind.
18. Vorrichtung gemäss einem.der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11), der den Behandlungsraum umschliesst, zylindrisch ist.
19. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11), der den Behandlungsraum umschliesst, zumindest teilweise konisch ist.
20. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11), der den Behandlungsraum umschliesst, rotationssymmetrisch ist.
21. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Behandlungsraum (12) ein Verdrängerkörper (27) befindet.
22. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12) ein konischer Auslaufbereich befindet.
23. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Bodenbereichs (16) des Behandlungsraumes (12) nach unten durch eine Absperreinrichtung, die eine Durchlassfläche zwischen 1% und 30% aufweist, begrenzt wird.
24. Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich oberhalb der mindestens einen Zuführeinrichtung (15) eine weitere Zuführeinrichtung für ein Behandlungsgas im Behandlungsraum (12) befindet.
25. Verfahren zur kontinuierlichen, thermischen Behandlung eines Schüttgutmateria- les in einer Vorrichtung, welche aufweist:
> einen Behandlungsraum (12) zur Aufnahme des Schüttgutmateriales;
> mindestens eine Einfüllöffnung (13), durch die der Behandlungsraum (12) mit Schüttgutmaterial beschickbar ist;
> mindestens eine Austragsöffnung (14) durch die Schüttgutmaterial aus dem Behandlungsraum (12) austragbar ist; > mindestens eine Zuführeinrichtung (15) für ein Behandlungsgas im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12);
> mindestens eine Wegführeinrichtung (17) für ein Behandlungsgas im Deckenbereich (18) des Behandlungsraumes (12);
> eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten (19a - n), die sowohl vom Behandlungsgas, wie auch vom Schüttgutmaterial durchströmt werden können, die im Behandlungsraum (12) angeordnet ist, wobei sich zwischen den Stauelementschichten eine Vielzahl von Behandlungsschichten (21a - n) befindet,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Stauelementschicht (19) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
26. Verfahren gemäss Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Stauelementschichten (19a - n) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
27. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases zwischen 10% und 150%, insbesondere zwischen 20% und 75% über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
28. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht (21) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
29. Verfahren gemäss Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Behandlungsschichten (21a - n) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
30. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 28 - 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases zwischen 1% und 100%, insbe- sondere zwischen 2% und 50%, über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
31. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Verweilzeit in einer Behandlungsschicht (21) zwischen 0.05 und 10 Minuten, insbesondere mehr als 0.1 Minuten und weniger als 5 Minuten, beträgt.
32. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum (12) angeordnet ist.
33. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite aufweisen, die 4 bis 40 Mal grösser ist als der durchschnittliche Schüttgutpartikeldurchmesser.
34. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate mit einem mittleren Durchmesser von 0.4 mm bis 5 mm handelt und die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 4 mm bis 50 mm aufweisen.
35. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Partikel, insbesondere Granulate, eines Po- lykondensates, wie zum Beispiel Polyamid, Polyester, Polykarbonat, Polylactid, Polyhydroxyalkanoat oder deren Copolymere oder Mischungen, insbesondere Po- lyethylenterephthalat oder eines seiner Copolymere handelt.
36. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases zwischen 0.5 und 4 m/s, insbesondere zwischen 0.7 und 2 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt.
37. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate mit einem mittleren Durchmesser von 1.4 mm bis 5 mm handelt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht zwischen 0.7 und 4 m/s, insbesondere zwischen 0.8 und 2 m/s, Leerrohrgeschwindigkeit beträgt.
38. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im unteren Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VU besitzt und dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VO besitzt, wobei sich VU und VO nicht wesentlich unterscheiden und über die Beziehung VU/(VU+VO) = 0.33 bis 0.67, insbesondere, VU/(VU+VO) = 0.39 bis 0.61 , zueinander in Beziehung stehen.
39. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutmaterial den Behandlungsraum von oben nach unten durchströmt.
40. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im Bodenbereich des Behandlungsraumes zwischen 0.7 m/s und 2 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes zumindest um 20% grösser ist und zwischen 1.5 m/s und 4 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt.
41. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandlungsgas eine Eintrittstemperatur TiG und eine Austrittstemperatur TaG aufweist, dass das Schüttgutmaterial eine Eintrittstemperatur TiP und eine Austrittstemperatur TaP aufweist und die thermische Behandlung derart erfolgt, dass sich TaP im Wesentlichen an TiG angleicht und dass sich TaG im Wesentlichen an TiP angleicht, wobei die Beziehung (TiP + TaP -TiG - TaG)/(TiP-TiG) kleiner als 0.5, insbesondere kleiner als 0.4, erfüllt wird.
42. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung gemäss zumindest einem der Ansprüche 1 bis 24 ausgeführt ist.
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