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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehströmungswirbler zur Mischung
und/oder Durchführung chemischer Reaktionen zwischen feinteiligen Feststoffen und/oder
Flüssigkeiten und/oder Gasen unter Beteiligung mindestens eines flüssigen oder gasförmigen
Reaktionspartners, bestehend aus einer Wirbelkammer als Reaktionsraum mit einem
koaxialen Gasauslaß sowie tangentialen, in zur Wirbelkammerachse schräg geneigter
Richtung angeordneten Zuführungsleitungen im Wirbelkammermantel für mindestens einen
der Reaktionspartner und einem dem Gasauslaß gegenüberliegenden Auslaß zur Abführung
von Reaktionspartnern.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Drehströmung, wie sie zur Abscheidung
staubförmiger Partikel aus einem gasförmigen Medium früher bereits vorgeschlagen
worden ist. Bei der Drehströmung handelt es sich um die Kombination einer äußeren
Potentialströmung und einer inneren Rotationsströmung mit jeweils wendelförmig verlaufenden
Stromfäden.
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Dabei wird in einer rotationssymmetrischen Wirbelkammer im wandnahen
Bereich die Potentialströmung derart angeregt und aufrechterhalten, daß sie zusätzlich
zur Umlaufbewegung auch noch eine Axialbewegung ausführt. Über der Grundfläche der
Wirbelkammer, dem sogenannten festen Grund, strömen die Medien nach Ausbildung einer
Wirbelsenke auf spiralförmigen Bahnen zur Achse der Wirbelkammer. Von dieser Wirbelsenke
aus bildet sich im Innern der Potentialströmung eine koaxial und gleichsinnig umlaufende
Rotationsströmung aus, jedoch mit entgegengesetzter axialer Fortschreitungsrichtung.
An der anderen Stirnseite der rotationssymmetrischen Wirbelkammer geht nach Ausbildung
einer Wirbelquelle ein Teil der Rotationsströmung wieder in die Potentialströmung
über.
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Bei der früher vorgeschlagenen Abscheidung für staubförmige Partikel
wird das staubbeladene Medium in der Richtung der Rotationsströmung zugeführt. Die
auszuscheidenden Partikel werden dabei durch die zwischen Potential- und Rotationsströmung
auftretenden Kräfte radial aus der Rotationsströmung heraus in eine sogenannte Mischzone
zwischen Potential- und Rotationsströmung geschleudert und von dort abgeführt. Diese
Wirkungen treten auch auf, wenn die staubförmigen Partikel z. B. durch die Anregungseinströmungen
für die Potentialströmung zugeführt werden.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, die sich im Übergangsbereich
zwischen Rotations- und Potentialströmung sammelnden Partikel nicht sogleich abzuführen,
sondern als im wesentlichen ringförmige Anreicherungen dort rotieren zu lassen.
Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß diese rotierenden Anreicherungen als
Reaktionszentren für chemische Prozesse, wie z. B. Verbrennungen, ausgenutzt werden.
Es ist in diesem Zusammenhang ein Drehströmungswirbler bekanntgeworden, bei dem
jedoch lediglich eine einzige tangentiale und dem aufsteigenden Rohgasstrom schräg
entgegengerichtete Düse im Wirbelkammermantel angeordnet ist. Bei ungünstigen Betriebsverhältnissen
können sich dabei unterhalb dieser Düse auch Partikelringe ausbilden.
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Eine genaue Steuerung der Kapazität und der Verweilzeit dieses zufällig
entstehenden Ringes ist jedoch nicht möglich.
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Ferner ist ein Reaktionsbehälter zur Durchführung endothermer chemischer
Reaktionen bekanntgewor-
den, bei dem jeweils am oberen und am unteren Ende des Reaktionsraumes
eine tangentiale Düse zur Zuführung von entsprechenden Reaktionsmedien angeordnet
ist. Auch hierbei ist schon allein wegen des großen Abstandes der beiden schräg
gegeneinandergerichteten Düsen die definierte Erzeugung eines Partikelringes nicht
möglich.
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Die Erfindung geht jedoch von einer derartigen Wirbelkammer als Reaktionsraum
aus. Dabei weist die Wirbelkammer einen koaxialen Gasauslaß sowie tangentiale, in
zur Wirbelkammerachse schräg geneigter Richtung. angeordnete Zuführungsleitungen
im Wirbelkammermantel für mindestens einen der Reaktionspartner und einen dem Gasauslaß
gegenüberliegenden Auslaß zur Abführung von Reaktionspartnern auf.
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Die Erfindung besteht darin, daß in zwei benachbarten Querschnittsebenen
jeweils zwei Zuführungsleitungen im gleichen Winkel zueinander schräg entgegengerichtet
sind. Ferner kann die Wirbelkammer auf der dem Gasauslaß gegenüberliegenden Seite
ein koaxiales Einströmrohr für weitere Reaktionspartner aufweisen.
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Die in einer derartigen Wirbelkammer bewirkten Mischungen und Anreicherungen
sind vielfach zur Erzielung besonderer chemischer Reaktionen erwünscht und haben
Bedeutung in allen Fällen, in denen die Reaktionszeit verringert werden soll.
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Außerdem wird bei dem neuen Verfahren eine unmittelbare Berührung
der Reaktionsstoffe mit den Wandungen des Reaktionsraumes vermieden. Auf diese Weise
kann man also chemische Reaktionen in Behältern zustande kommen lassen, die selbst
möglicherweise mit einem Teil der zugeführten oder entstehenden chemischen Substanzen
reagieren würden, oder bei denen die Temperaturempfindlichkeit eine Berührung nicht
zulassen würde.
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An Hand der Zeichnung soll das Prinzip der Erfindung näher erläutert
werden.
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Fi-g. 1 dient der Erklärung der bekannten Drehströmung, während in
Fig. 2, 3 und 4 die Ausbildung eines Staubringes sowie dessen Lageänderung und Abführung
dargestellt ist.
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F i g. 1 zeigt zunächst eine auf etwa wendelförmigen Bahnen umlaufende
Potentialströmung 1, die in bekannter Weise mit Hilfe einer Einströmung 2 angeregt
und mit Hilfe eines festen Grundes3 nach Ausbildung einer Wirbelsenke in eine zur
Potentialströmung koaxial und gleichsinnig umlaufende Rotationsströmung4 übergeführt
wird. Die Rotationsströmung 4 läuft über eine Wirbelquelle in die Potentialströmung
1 zurück. Dabei wird unter einer Potentialströmung eine Strömung verstanden, in
der die Teilchen keiner inneren Reibung ausgesetzt sind und sich infolgedessen nicht
um ihre eigene Achse drehen. In der Rotationsströmung drehen sich die Teilchen um
ihre eigene Achse. Die Potentialströmung stellt eine Zone hohen, die Rotationsströmung
eine Zone niedrigen Druckes dar. Eine derartig zusammengesetzte Strömung wird als
»Drehströmung« bezeichnet.
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Um stabile Anreicherungsringe der Reaktionsmedien zu bilden, können
jeweils zwei tangentiale Einströmungen schräg gegeneinander gerichtet werden, wie
dies in F i g. 2 dargestellt ist. Durch die Gegeneinanderstellung der Zuführungen
6-7 sowie 8-9 bilden sich im Drehströmungswirbler 5 zwischen
den
Zuführungen zwei spiegelbildliche Drehströmungen aus mit einer Stauebene, die als
fester Grund wirkt und eine Umlenkung der Potential- in die Rotationsströmung bewirkt.
In diesem Gebiet ist die axiale Strömungskomponente gleich Null, so daß sich hier
bevorzugt rotierende Anreicherungen 10 in Form von Partikelringen ausbilden können.
Die feinkörnigen oder staubförmigen Stoffe, die zur Reaktion gebracht werden sollen,
können beispielsweise axial, wie durch den Pfeil 13 angedeutet ist, von unten her
in den Reaktionsraum eingeführt werden. Werden alle Zuführungen 6 bis 9 gleichmäßig
beaufschlagt, so bildet sich ein horizontaler Staubring 10. Durch ungleichmäßige
Beaufschlagung kann die Gestalt des Partikelringes und seine Lage etwa nach F i
g. 3 geändert werden. In diesem Fall ist z. B. die Zuführung 9 geschlossen, so daß
sich ein schrägliegender Ring 11 ausbildet.
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Sollen Partikeln aus dem rotierenden Staubring entfernt werden, so
können, wie das in Fig. 4 gezeigt ist, die unteren Zuführungen 8-9 geschlossen werden,
so daß jetzt die Staubringe aufreißen und Teilchen auf wendelförmigen Bahnen mit
der Potentialströmung abgeführt werden.
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Die Zuführungsleitungen im Mantel der Wirbelkammer können beispielsweise
in Form von Schlitzen, Kanälen, Düsen, feststehenden Flachdüsen, Leitschaufeln ausgebildet
sein, durch die bei gasförmigen Medien beispielsweise Gase oder Dämpfe eingeblasen
werden. Je nach den im einzelnen Fall vorliegenden Bedingungen, entsprechend dem
jeweiligen Anwendungszweck, können die gleichen oder gleichartige Stoffe, die im
Reaktionsraum zu behandeln sind, zugeführt werden, oder es können auch andere Hilfs-
medien
und weitere Substanzen eingeblasen oder auf andere Weise zum Einströmen gebracht
werden.
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Um bei Verbrennungsvorgängen eine Brennkammer oder eine Zyklonfeuerung
besser als bisher betreiben zu können, läßt man die Teilchen während der Verbrennung,
wie in F i g. 2 gezeigt, kreisen. Man erzielt dadurch einen höheren Ausbrand und
erzeugt bei entsprechender Ausbildung der Strömung eine sehr hohe Asche- bzw. Schlackeeinbindung.