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Verfahren zur Nachbehandlung von schüttfähigen, festen Stoffen mit
gasförmigen Wirkmitteln Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nachkondensation
von Polyamiden in umlaufender Gegenstrom-Wanderschicht des Behandlungsgutes.
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Das Verfahren besteht in einer pneumatischen Umwälzung des Festkörperbettes
mit Hilfe eines gelenkten Teilstromes des gasförmigen Behandlungsmediums.
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Die Mehrzahl der Reaktionen zwischen gasförmigen Stoffen und Festkörpern
im technischen Maßstab werden an ruhender Feststoffschicht ausgeführt.
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Solche Verfahren sind zwar in apparativer Hinsicht sehr einfach, zeigen
aber Mängel, besonders in bezug auf die Raum-Zeit-Ausbeute und die Gleichmäßigkeit
des Prozesses. Besonders wenn der Festkörper selbst Reaktionsprodukt ist, ist der
Reaktionsablauf von der jeweiligen Lage der Partikeln abhängig, so daß beachtliche
Unterschiede zwischen am Gasein- und Austritt gelegenen Körnern und, falls durch
die Wandung Wärmemengen aufzunehmen oder abzugeben sind, auch zwischen Wand und
Schichtmitte auftreten.
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Wegen dieser Nachteile werden mehr und mehr Reaktionen an festen
Substanzen in bewegten Schichten ausgeführt, wobei besonders die Verfahren technisch
Bedeutung erlangt haben, bei denen die Festgutbewegung auf pneumatischem Wege erreicht
wird. Hierzu gehört das Wirbelschichtverfahren.
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Wirbelschichtverfahren zeichnen sich besonders durch günstige Wärmeübergangsverhältnisse
zwischen dem als Wärmeträger dienenden gasförmigen Stoff und dem Festkörper aus.
Sie eignen sich vorzugsweise für Gasreaktionen an feinkörnigen Katalysatoren mit
gleichmäßiger Korngröße. Ist dagegen die Korngröße uneinheitlich, so tritt in der
Wirbelschicht eine Entmischung auf. Wo eine derartige Entmischung oder Sichtung
des Festkörperbettes unerwünscht ist, arbeitet man mit Wanderschichten. Die Wärmeübergangsverhältnisse
sind hierbei nicht mehr gleich günstig, hingegen erreicht man eine genau definierte
Festkörperbewegung bei homogener Verteilung. Die vorliegende Erfindung betrifft
eine besondere Ausführungsform eines kontinuierlich arbeitenden Verfahrens mit einer
wandernden Festkörperschicht.
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Bei den bisher bekannten Wanderschichtverfahren, von denen das »Thermophor«-Verfahren
das bekannteste ist, wird die Festkörperschicht außerhalb des Reaktionsgefäßes wieder
nach oben in das Reaktionsgefäß zurückgeführt. Die Förderung der Festkörper geschieht
hierbei kontinuierlich auf mechanischem Wege mit Hilfe von Elevatoren oder aber
pneumatisch. Beim »Thermophor«-Verfahren weist die pneumatische Förderung neben
einer ganzen Reihe von Vorteilen noch einige Nachteile auf, z. B. die langen und
wenigstens zwei rechtwinklige Umlenkun-
gen aufweisenden Transportwege. In den Umlenkunaen
wird ein beachtlicher Teil der Bewegungsenergie vernichtet, was eine merkliche Erosion
der Rohrwandung und beträchtlichen Abrieb am Umwälzungsgut der Festkörperschicht
zur Folge haben kann.
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Aus der schweizerischen Patentschrift 265206 ist ist es nun bekannt,
feste Polyamidteilchen in einem mit einer Trommel oder Förderschnecke ausgerüsteten
Trockner unter Umwälzung des Gutes in einem im Kreislauf geführten Inertgasstroms,
unter Entfernung des Wassers und niedermolekularer Anteile zu erhitzen.
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Abgesehen davon, daß dieses Verfahren ebenfalls Mängel in der Raum-Zeit-Ausbeute
aufweist, ergibt sich ein beträchtlicher Abrieb am Umwälzungsgut.
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Der hier auftretende Staub kann praktisch nicht mehr vom Behandlungsgut
getrennt werden.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Nachteile praktisch behoben werden
können, wenn der Urnlauf der Festkörperschicht in das Innere des Reaktionsgefäßes
verlegt wird, wobei zur pneumatischen Förderung ein gelenkter Teilstrom des gasförmigen
Behandlungsmittels benutzt wird. Die Erfindung wird durch die Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Schema einer ganzen Behandlungsapparatur; Fig. 2
und 3 veranschaulichen spezielle Ausführungsformen des Reaktionsgefäßes.
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Das Reaktionsgefäß 2 (Fig. 1) ist im unteren Teil konisch, wobei
der Konuswinkel zweckmäßig so gewählt wird, daß das Festkörpergranulat bei der Entleerung
vollständig abfließen kann. In diesem Reaktionsgefäß 2 erfolgt die Aufwärtsbewegung
durch ein oder mehrere vorzugsweise zentral im Reaktionsgefäß 2 angeordnete Rohre
1. Diese Zentralrohre 1 sind mit einem Prallblech 4 überdeckt.
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Das Reaktionsgefäß wird im Betrieb bis etwa zur Höhe h (Fig. 1) mit
dem zu behandelnden Gut gefüllt.
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Schon während der Füllung aus dem Vorratsgefäß 10 durch das Ventil
13 wird durch den Bodenstutzen im Reaktionsgefäß das Behandlungsgas eingeleitet.
Ein Teil des Gasstromes steigt nun durch das zentrale Mittelrohr 1 hoch und nimmt
gleichzeitig dauernd aus dem unteren Teil des Behandlungsgefäßes körniges Material
mit, welches sich dann nach Verlassen des oberen Endes des Zentralrohres gleichmäßig
auf die Schüttgutoberfläche verteilt.
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Wenn das zu behandelnde Gut eine ungleichmäßige Korngröße aufweist,
tritt bei vorliegendem Verfahren keine Entmischung ein, vorausgesetzt, daß auch
die feinsten Partikelchen der Wanderschicht vom abziehenden Gut nicht getragen werden.
Im oberen Konus des Reaktionsgefäßes ist an geeigneter Stelle ein Gasabzugsstutzen
angebracht, durch den gegebenenfalls über einen Gasfilter 8 und über einen Abschneider9
(für kondensierbare Behandlungsgase) das Gas auf den Umwälzkompressor 7 gelangt,
von wo es wieder in das Reaktionsgefäß zurückgeleitet wird.
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Nötigenfalls kann das Behandlungsgas über Wärmeaustauscher 6 aufgeheizt
werden. Ebenfalls können aus dem Gefäß 12 dem Gas Flüssigkeitsdämpfe zugeführt oder
als Nebel oder Aerosole eingeleitet werden.
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Die durch das Rohr 1 hochbeförderten Körner, die sich gleichmäßig
auf der Schüttgutoberfiäche verteilen, legen in der Wanderschicht einen im wesentlichen
senkrechten Weg zurück, d. h., diejenigen Körner, die an die Gefäßwand zu liegen
kommen, bleiben während eines Umlaufes der Wanderschicht in Kontakt mit der Gefäßwand.
Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Korn bei mehreren Durchgängen wiederum an die Wand
befördert wird, ist praktisch Null. Die Umwälzung läßt sich in weiten Grenzen regulieren
und beträgt im allgemeinen zwischen 5 und 50 Durchgängen pro Stunde.
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Die Variationsbreite des Verfahrens der Erfindung ist überraschend.
Bei feststehenden Abmessungen des Reaktionsgefäßes lassen sich allein durch Veränderung
der vier Variablen, nämlich Durchmesser d des Förderrohres 1, Abstand a des Förderrohres
1, Geschwindigkeit v des Umwälzgases, Schütthöhe h, die verschiedenen Festkörper
in eine gleichmäßige, stetige und dem jeweiligen Bedarf entsprechende Zirkulation
versetzen. Das Verfahren läßt in bezug auf Korngröße, Kornform und spezifisches
Gewicht des umwälzenden Materials einen sehr breiten Spielraum.
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Ein besonderer Vorteil ist es, daß bei Festkörperschichten mit ungleichmäßiger
Korngröße keine Entmischung eintritt.
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Dadurch, daß die einzelnen Körner bei den verschiedenen Durchgängen
in der Wanderschicht nicht
an die gleiche Stelle zu liegen kommen, erreicht man,
daß bei Verfahren, bei denen das Reaktionsgefäß von außen beheizt werden muß, eine
gleichmäßige thermische Behandlung aller Festpartikeln gewährleistet wird. Die Wärmeübergangsverhältnisse
sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr gut - sie liegen etwa in der Mitte
zwischen dem Ruhebettverfahren und dem Wirbelschichtverfahren -, so daß in vielen
Fällen auf eineAußenheizung verzichtet werden kann.
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Die Wärmeübertragung geschieht in diesem Fall allein mit Hilfe des
Umwälzgases, das durch die erwähnten Wärmeaustauscher auf die erforderliche Temperatur
gebracht wird.
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Die Entleerung erfolgt bei stillstehendem Kompressor durch den Schieber
14. Man erzielt eine schnelle und restlose Entleerung der Reaktionskammer 2, wie
sie beim Ruhebettverfahren nicht annähernd und bei Wirbelschichtverfahren nur selten
erreicht wird.
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Die pneumatische Förderung des körnigen Festgutes ist wesentlich
schonender für das Granulat und das Material der Fördereinrichtung als beim »Thermophor«-Verfahren,
da die Förderstrecke um 20 bis 50°/o verkürzt wird und jegliche Umlenkung in der
Rohrleitung wegfällt. Da der Gas strom im Förderrohr 1 so eingestellt werden kann,
daß die geförderten Teilchen die obere Rohröffnung nur mit geringer Geschwindigkeit
verlassen, gibt es praktisch keinen Abrieb und keinen Metallverschleiß. Die einzige
Stelle, die der Abnutzung unterworfen ist, ist das Prallblech 4, welches leicht
ausgewechselt werden kann. Für besonders schonende Behandlung des Granulates kann
das Prallblech 4 durch ein Staurohr 4 (Fig. 2) ersetzt werden, oder es wird dem
aufsteigenden Gasstrom eine Bremsströmung gemäß Fig. 3 entgegengeschickt.
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Beispiel 1 In ein Reaktionsgefäß 2 gemäß Fig. 1 mit zentral angeordnetem
Förderrohr von 120 cm Länge und 3 cm Durchmesser, durch das 80 cbm/Std. reiner,
sauerstofffreier Stickstoff im Kreislauf geführt werden, werden 50 kg eines feuchten
Granulates von Polyhexamethyldiammoniumadipat mit durchschnittlich 4 mm Korngröße
gegeben. Durch den das Zentralrohr 1 passierenden Teilgasstrom wird das Granulat
zehnmal in der Stunde umgewälzt.
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Mit Hilfe eines Wärmeaustauschers 6 und eines Spitzenvorwärmers wird
der Kreislaufstickstoff so erwärmt, daß er im unteren Teil des Reaktionsgefäßes
mit 1200 C eintritt. Das aus dem Granulat herausdampfende Wasser wird mittels Abschneider
9 und Kühler kondensiert und fortlaufend dem Kreislaufgas entzogen. Nach 4 bis 5
Stunden ist der Wassergehalt des Granulates von anfangs 2°/o auf weniger als 0,10/o
gesunken.
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Beispiel 2 In eine entsprechend Beispiel 1 aufgebaute Apparatur werden
50 kg Granulat von Poly-E-caprolactam gegeben. Das Granulat besitzt eine durchschnittliche
Korngröße von 2 mm und enthält 2 bis 3 0/o Wasser und 10 bis 11°/o monomere Bestandteile.
Durch die Apparatur werden stündlich 90 cbm reiner, sauerstofflreier Stickstoff
mit einer Eintrittstemperatur von 1860 C geleitet. Die ausgetriebenen flüchtigen
Bestandteile, also Wasser und niedermolekulare Produkte, werden über einen Abschneider
und Kühler
fortlaufend dem Kreislauf entzogen. Nach 8lía Stunden
ist der Wassergehalt des Granulates auf weniger als 0,1 0/o, der Gehalt an extrahierbaren
niedermolekularen Produkten auf etwa 1010 gesunken.
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Beispiel 3 In einer Apparatur entsprechend Beispiel 1 werden 50 kg
eines feuchten, nicht extrahierten Granulates von katalysatorhaltigem Poly-E-caprolactam
in einem Strom von stündlich 80 cbm reinem sauerstofffreiem Stickstoff umgewälzt.
Die Eintrittstemperatur des Stickstoffs beträgt 1860 C. Die flüchtigen Produkte,
in diesem Falle Wasser und niedermolekulare Anteile, werden fortlaufend dem zirkulierenden
Gasstrom entzogen und kondensiert. Nach 12stündiger Behandlung ist das Granulat
trocken (Wassergehalt 0,05 0/o) und enthält nur noch etwa 1 °/o extrahierbare Bestandteile.
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Das Molekulargewicht des Poly-e-caprolactams ist von ursprünglich
etwa 12000 (Grundviskosität 0,9) auf etwa 40 000 (Grundviskosität 3,0) angestiegen.