DE1542352B2 - Misch- und reaktionskammer, die nach dem prinzip der hochturbulenten drallvermischung gasfoermiger, fluessiger oder feinkoerniger fester stoffe mit einem traegergas arbeitet - Google Patents
Misch- und reaktionskammer, die nach dem prinzip der hochturbulenten drallvermischung gasfoermiger, fluessiger oder feinkoerniger fester stoffe mit einem traegergas arbeitetInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Misch- und Reaktionskammer, die nach dem Prinzip der hochturbulenten Drallvermischung gasförmiger, flüssiger
oder feinkörniger fester Stoffe mit einem Trägergas arbeitet und die aus einer konischen rotationssymmetrischen
Kammer besteht, deren Eintrittsöffnungen für die zu vermischenden bzw. umzusetzenden Stoffe
koaxial zur Kämmerachse und deren Austrittsöffnung für die Gase bzw. Stoffe an dem dem Eintritt des
Trägergases entgegengesetzten Ende der Kammer axial oder tangential angeordnet sind, und die mit
Einrichtungen versehen ist, die das Trägergas mit einem Drall in die Kammer eintreten lassen.
Derartige Reaktionsapparate zur Durchführung von Prozessen und Verfahren, die eine innige Durchmischung
der Prozeßteiliiehmer voraussetzen, sind bekannt. Sehr oft bedient man sich dabei eines Trägergases,
das z. B. bei thermischen Prozessen für die Energiezu- oder -abfuhr sorgt oder auch ganz oder
teilweise als Reaktionsteilnehmer auftritt. Reaktionen, an denen das Trägergas bzw. Teile von ihm
teilnehmen, stellen beispielsweise Verbrennungsvorgänge dar.
Als Beispiel für Reaktionsapparate, bei denen das Trägergas die Aufgabe des Energietransportes übernimmt,
seien Trocknungsvorgänge in Fließbettreaktoren oder in sogenannten Sprühtrocknern genannt.
Dabei übernimmt das Trägergas auch den Abtransport der dem Gut entzogenen Feuchtigkeit.
Die Reaktoren der genannten Art weisen jedoch Nachteile auf, die ihre Einsatzmöglichkeiten stark
einschränken. So ist unter anderem die Wärmebehandlung von feinkörnigen Feststoffen in Fließbettreaktoren
nicht möglich bei Stoffen, die eine Schmelzzone durchlaufen, also möglicherweise verklumpen,
wie dies bei der Aufarbeitung von Eisensulf at-Heptahydrat der Fall ist. Sprühtrockner für die
Abscheidung von in Flüssigkeiten gelösten oder emulgierten Stoffen wie Waschpulver oder Trockenmilch
benötigen als Folge langer notwendiger Verweilzeiten der Teilchen bis zur vollständigen Behandlung
große Bauvolumina. Lange notwendige Verweilzeiten ergeben sich als Folge relativ geringer
Turbulenzen zwischen Wärmeträger und Gut. Die Gefahr, daß bei Sprühtrocknern teilweise behandelte
Teilchen an die Wände gelangen und dort verkleben, führt dazu, daß diese erfahrungsgemäß mit beträchtlich
größerem Volumen gebaut werden, als der Auslegung nach der notwendigen Verweilzeit der Teilchen
entspräche. Das große Bauvolumen solcher Apparate wirkt seinerseits prohibitiv auf die Anwendung
hoher — die Reaktionen beschleunigende — Temperaturen. Der Gedanke, den Mischungsvorgang
zu intensivieren und damit den Stoffaustausch bzw. bei einem Gas als Energieträger den Wärmeaustausch
der Prozeßteilnehmer zu beschleunigen, liegt dem vorliegenden Verfahren zugrunde, das darauf beruht,
hohe Turbulenzen in einer Mischkammer zu erzeugen.
Durch neuere Untersuchungen ist bekannt, daß eine besonders intensive Turbulenzzone dadurch
hervorgerufen werden kann, wenn man zwei parallele Gasströme so führt, daß sie mit annähernd gleich
großer, jedoch entgegengesetzt gerichteter Geschwindigkeit aneinander entlanglaufen. Diese Erkenntnis
wurde bereits bei einer Mischkammer benutzt, bei der z. B. ein Gasstrom mit Drall so in eine sich in Hauptströmungsrichtung
erweiternde Kammer eingeführt wird, daß dieser Gasstrom entlang der Wandung strömt, in der Nähe des Austrittes sich ein Teil des
Gasstromes umkehrt und im Bereich der Kammerachse zurückströmt. Zwischen Haupt- und Rückströmung
soll sich eine Zone hoher Turbulenz bilden, in der in diese eingebrachte Stoffe durchgemischt
werden sollen. Tatsächlich konnte die beschriebene Turbulenzzone nachgewiesen werden, jedoch zeigte
sich, daß diese Zone sehr schmal ausgebildet ist; es stellte sich nämlich heraus, daß ein Teil der zu mischenden
Stoffe, die axial in diese Kammer eingeführt wurden, diese Turbulenzzone durchbrachen,
an die Kammerwandung, bevor der beabsichtigte Prozeß abgelaufen war, schlugen und sich dort festsetzten.
Dadurch entstand durch laufende weitere
Gutszufuhr innerhalb kurzer Zeit eine immer stärker werdende Kruste, so daß der Betrieb zur Reinigung
der Kammer unterbrochen werden mußte. Als Beispiele für diese Erscheinung sei die Trocknung unter
Kristallwasserabspaltung von Eisensulfat oder Eisenchloriden genannt. Ähnlich unbefriedigende Ergebnisse
brachten Versuche, bei denen eine Salzlösung in die Kammer eingesprüht wurde mit dem Ziel,
durch Verdampfen des Flüssigkeitsanteils den Feststoff auszuscheiden.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht
darin, die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermeiden.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß die beim Betrieb der vorgenannten Mischkammer auftretenden
Schwierigkeiten vollständig ausgeschaltet werden können, wenn gemäß der Erfindung eine
Kammer benutzt wird, die sich kegelförmig zum Austritt hin verjüngt, wobei der größte Durchmesser der
Kammer etwa dem 1,4- bis 3fachen des kleinsten Durchmessers im Bereich des Kammeraustritts und
der Eintrittsquerschnitt für das Trägergas etwa dem 0,06- bis 0,4fachen des größten Kammerquerschnittes
entspricht, und wenn die den Eintrittsquerschnitt umschließende Kammerwandung 60 bis 120° gegen
die Rotationsachse geneigt verläuft, und daß die
wirksame Kammerhöhe dem 1,5- bis 3,2fachen des kleinsten Durchmessers entspricht, wobei die Kammerwandung
schalenförmig ausgebildet ist.
Zur Durchführung thermischer Energie erfordernder Verfahren sieht die Erfindung vor, daß zur Erregung
und Verstärkung des Dralls des Trägergases eine thermische befeuerte Ringbrennkammer dient,
die entweder unterhalb der Misch- und Reäktionskammer
angeordnet und deren Achse mit der der Kammer identisch ist, oder die konzentrisch um den
Reaktor angeordnet ist und bei der die innere Brennkammerwandung
und die Wandung der Misch- und Reaktionskammer identisch sind. ' :
Während die. bekannten Einrichtungen vertikal betriebene, sich von unten nach oben erweiternde,
konisch geometrische Kammern sind, bei denen dem zugeführten Gasstrom der erforderliche Drall am
unteren Ende durch iangentiale Einführung in die Kammer erteilt wird, verengt sich die Kammer gemäß
vorliegender Erfindung vertikal betrieben von unten nach oben. Dabei erfolgt, die Einführung des heißen
Trägergases nicht tangential, sondern zentral über geeignete, drallerzeugende Leiteinrichtungen.' Der
Grund für die im Prinzip andere Ausbildung der Kammer ist eine verfahrenstechnische Maßnahme, die
den Kern der vorliegenden Erfindung ausmacht und darin besteht, daß sich das Trägergas nach Durchgang
durch die Eintrittsöffnung spiralförmig expandiert und dann in Richtung des Kammeraustritts
umgelenkt wird, wobei es in einer spiralig koaxialen Bewegung dem Austritt zugeführt wird und dabei
infolge der Form der Kammer eine sich kegelförmig verengende Bewegung ausführt.
Durch die besondere Art der Einleitung und Führung des Trägergases und die damit in Verbindung
stehende besondere Formgebung der Kammer ergibt sich eine kräftige Rückströmung in der Kammerachse,
die bei den bekannten Kammern kaum nachweisbar ist, da der Strömungsquerschnitt der Kammer
sich von unten nach oben vergrößert, d. h., sich die Geschwindigkeit verringert. Gleichzeitig erfolgt eine
starke Temperaturverminderung des Trägergases zwischen dem unteren Eintritt und dem oberen Austritt
aus der Kammer durch starken Wärmeentzug durch die eingedüsten Stoffe. Dadurch tritt eine erneute
Verringerung der Geschwindigkeit im oberen Bereich infolge der Abnahme des Gasvolumens ein. Diese
beiden negativen Effekte werden bei der Reaktionskammer gemäß vorliegender Erfindung vermieden,
die eine echte stabile Rückströmung mit einem ausgeprägten breiten Turbulenzfeld gewährleistet.
ίο In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine Misch-Reaktionskammer im senkrechten Achsschnitt mit eingezeichnetem Strömungsyerlauf,
is Fig. 2 einen senkrechten Achsschnitt durch die gleiche Kammer unter weiterer Darstellung des Strömungsverlaufes,
F i g. 3 einen Achsschnitt durch eine Misch-Reaktionskammer
mit einer dazugehörigen, unterhalb derselben angeordneten Brennkammer sowie einen
waagerechten Schnitt entsprechend der Schnittlinie A7B, '..'";'.''■
Fig. 4 einen senkrechten Achsschnitt durch eine
Vorrichtung, bei der die Brennkammer und die Misch-Reaktionskammer; einen einheitlichen Bauteil
bilden, sowie einen waagerechten Schnitt entsprechend der Schnittlinie A-B;
Fig. 5 entspricht der Darstellung der Fig. 1 und 2 und dient zur Veranschaulichung einiger für den Bau
der Kammer wichtigen konstruktiven Größen.
In die rotationssymmetrische Kammer, die in Fig. 1 dargestellt ist, wird das Trägergas mit hoher
kinetischer Energie rotierend im Bereich der Rotationsachse der Kammer eingetragen. Mit 2 ist die
Eintrittsöffnung für das Trägergas, mit 1 ist die Stelle bezeichnet, an der Einrichtungen zur Erzeugung des
Dralls anzuordnen sind; hierfür können z. B. Leitschaufeln
und Eintrittsspiralen dienen. Nach Passieren der Eintrittsöffnung wird das Gas plötzlich unter
der Einwirkung der Zentrifugalkraft entspannt und strömt radial iri den mit 3 in Fig. 1 bezeichneten
Bereich in Form einer sich öffnenden Spirale. Nach einer bestimmten Wegstrecke wird es in Richtung der
Rotationsachse umgelenkt und strömt spiralig ko-
axial zur Kammerachse "in Richtung auf den Kammeraustritt
7 durch einen sich kegelförmig verengenden Bereich der Kammer.
Der Weiterverlaüf der Gasströröung in Spiralen ist in F i g. 2 angedeutet. :. : ..;
' Durch die erwähnte, priter der Wirkung der Zentrifugalkraft
hervorgerufene, radiale Expansion des Trägergases entsteht im Bereich der Rotationsachse 4
eine Zone verminderten Druckes, wie sie sich bei der
Strömung um das Laufrad eines Radialgebläses oder
einer Kreiselpumpe ergibt. Diese Zone verminderten Druckes bewirkt nun eine teilweise Umkehr des Gasstromes
vor Verlassen der Kammer und ein Rückströmen im Bereich der Rotationsachse 4 dem Hauptgasstrom
entgegen. Zwischen dem sich in Wandnähe
bewegenden Hauptgasstrom und der Rückströmung bildet sich eine ausgedehnte Zone 5 intensiver Turbulenz
aus, in der es zu einer sehr innigen Mischung zwischen Trägergas und den zu behandelnden
Stoffen bzw. dem Ablauf einer Reaktion kommt. Das zu behandelnde Gut 6 wird im Bereich der Rotationsachse
mit oder entgegen der Hauptströmungsrichtung eingetragen, fällt bei aufrecht stehenden Reaktoren
mit unterem Träeeraaseintritt, durch die Rückströ-
mung begünstigt, entgegen der Hauptströmungsrichtung
nach unten und gelangt bei Feststoffen oder Flüssigkeit je nach Teilchengröße nach einer bestimmten
Wegstrecke in die Turbulenzzone. Dort vollzieht sich die Vermischung mit dem Trägergas,
wobei höchste Stoff- bzw. bei thermischen Prozessen Wärmeaustauschkoeffizienten erzielt werden und die
Behandlung bzw. Reaktion in Bruchteilen von Sekunden abgeschlossen werden kann, bevor das Teilchen
mit dem Hauptgasstrom im Bereich 7 ausgetragen wird, ohne Gelegenheit gehabt zu haben, sich
an den Kammerwandungen festzusetzen.
F i g. 3 zeigt eine Anordnung mit gleichzeitiger Erzeugung des als Wärmeträger dienenden Trägergases
aus flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen. Hierbei
ist zur Durchführung der Verbrennung eine Ringkammer vorgesehen, die sich unterhalb des Reaktors
befindet und tangential so befeuert wird, daß der Heißgasstrom vor dem Eintritt in die die Rotation
erzeugenden Einrichtungen einen gleichsinnigen Drall bekommt. Bei geeigneter Formgebung der
Ringbrennkammer und Abstimmung auf den Reaktoreintrittsquerschnitt kann eine besondere Dralleinrichtung,
wie sie durch Leitschaufeln, Spiralen, Raumkrümmer dargestellt ist, ganz entfallen.
Bei der Anordnung nach F i g. 4 ist die Brennkammer als Ringkammer konzentrisch zu dem Reaktor
angeordnet. Neben den bereits vorstehend genannten Vorteilen ermöglicht diese Anordnung von Reaktor
und Brennkammer neben einer geringen Bauhöhe die Kombination einer gemeinsamen Wand zwischen
Brenn- und Reaktionsraum. Für Reaktionen, die im Bereich von über 10000C durchgeführt werden,
bringt diese Lösung besonders wärmewirtschaftlichen Nutzen. Besonders vorteilhaft hat sich diese Anordnung
aber dadurch erwiesen, daß der Wärmestrom in Richtung Brennkammer, Brennkammer- bzw. Reaktorwand,
Reaktorinnenraum erfolgt, also ein gewisser Betrag von Wärmestrahlung von der Reaktorwand
auf den Reaktionsraum den Ablauf der Reaktion im Innern überraschend günstig beeinflußt.
Die durch die hohen Turbulenzen erzielten Stoffaustausch- bzw. Wärmeübergangswerte ermöglichen
hohe Leistungen, bei kleinen Apparateabmessungen. Gegenüber herkömmlichen Sprühverdampfern z. B.
kann das Volumen eines Reaktors gemäß vorliegender Erfindung auf bis etwa ein Hundertstel bei gleicher Leistung gemindert werden. Da damit auch die
Oberfläche relativ klein ist, ergeben sich bedeutend geringere Wärmeverluste. Kleine Apparateabmessungen
sparen außerdem Baukosten und ermöglichen den Einsatz von Werkstoffen, die Reaktionen bei Temperaturen
erlauben, die mit bisherigen Apparaten in technischem Maße unmöglich waren.
Bei der Behandlung von Flüssigkeiten, die über eine Düse in den Reaktor eingesprüht werden, hat
sich gezeigt, daß die Tröpfchen in der Zone der hohen Turbulenz zu immer kleiner werdenden Schlieren
zerrissen werden, um beim Einsetzen der eigentlichen Reaktion eine Tropfengröße erreicht zu haben,
die weit unter der mit herkömmlichen Düsen erzielbaren liegt. Eine sehr große Oberfläche je Stoffeinheit
und damit eine unerwartet große Reaktionsgeschwindigkeit ist die Folge. Während bei herkömmlichen
Sprühverfahren vorwiegend ein Gut von hohlkugeliger oder halbmondförmiger Beschaffenheit anfällt,
weist das in vorbeschriebenem Reaktor erzielte eine sehr feinvernetzte, oberflächenaktive Struktur auf.
Dadurch lassen sich bei der dem Reaktionsprozeß • nachgeschalteten Gas-Feststofftrennung unerwartet
hohe Abscheideleistungen mit herkömmlichen Zyklonen erzielen.
Naturgemäß liegt das Anwendungsgebiet vorliegender Erfindung hauptsächlich im Bereich thermischer
Prozesse. Versuche haben gezeigt, daß die einem Gutsteilchen mitgeteilte Temperatur mit der Gasaustrittstemperatur
des Reaktors weitgehend übereinstimmt. Dies ermöglicht das Einstellen und die Kontrolle
einer bestimmten Reaktionstemperatur mit einfachen Mitteln. Besondere Bedeutung kommt dieser
Erscheinung dann zu, wenn es sich um die Durchführung einer Reaktion handelt, deren Minimal- und
Maximaltemperatur eng begrenzt ist. Örtliche Überhitzung konnte zufolge der großen Turbulenz nicht
beobachtet werden.
Als Beispiele für thermische Prozesse, die mit großem Erfolg in vorliegendem Reaktor durchgeführt
wurden, zählen unter anderem:
die Trocknung unter Kristallwasserabspaltung von Eisensulfathydraten, wobei es sich um einen
Vorgang handelt, bei dem das Gut eine Schmelzzone durchläuft;
die Verdampfung von eisensulfathaltiger Schwefelsäurelösung zur Abscheidung von trockenem
Eisensulfat, ein Vorgang, der die gleichzeitige Einhaltung von Minimal- und Maximaltemperatur
in engem Bereich erfordert;
die Verdampfung von metallchloridhaltigen Säurelösungen und die gleichzeitige thermische
Umsetzung der Metallchloride zu Metalloxyden und Chlorwasserstoff gas;
die thermische Spaltung von kristallinem Eisensulfat zu Eisenoxyden, Schwefeloxyden und
Wasserdampf.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Misch- und Reaktionskammer, welche nach dem Prinzip der hochturbulenten Drallvermischung
gasförmiger, flüssiger oder feinkörniger fester Stoffe mit einem Trägergas arbeitet und aus
einer konischen rotationssymmetrischen Kammer besteht, deren Eintrittsöffnungen für die zu vermischenden
bzw. umzusetzenden Stoffe koaxial zur Kammerachse und deren Austrittsöffnung für
die Gase bzw. Stoffe an dem dem Eintritt des Trägergases entgegengesetzten Ende der Kammer
axial oder tangential angeordnet sind, und mit Einrichtungen versehen ist, die das Trägergas mit
einem Drall in die Kammer eintreten lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer
sich kegelförmig zum Austritt hin verjüngt, wobei der größte Durchmesser (D) der Kammer
etwa dem 1,4- bis 3fachen des kleinsten Durchmessers (d) im Bereich des Kammeraustritts und
der Eintrittsquerschnitt (q) für das Trägergas etwa dem 0,06- bis 0,4fachen des größten Kammerquerschnitts
entspricht, und daß die den Eintrittsquerschnitt umschließende Kammerwandung 60 bis 120° gegen die Rotationsachse geneigt
verläuft (Winkel ω), und daß die wirksame Kammerhöhe (H) dem 1,5- bis 3,2fachen des kleinsten
Durchmessers (d) entspricht, wobei die Kammerwandung schalenförmig ausgebildet ist.
2. Misch- und Reaktionskammer zur Durchführung thermischer Energie erfordernder Verfahren
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung und Verstärkung des Dralls des
Trägergases eine thermisch befeuerte Ringbrennkammer dient, die unterhalb der Misch- und Reaktionskammer
angeordnet und deren Achse mit der der Kammer identisch ist.
3. Misch- und Reaktionskammer zur Durchführung thermischer Energie erfordernder Verfahren
nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erregung und Verstärkung
des Dralls des Trägergases eine thermisch befeuerte Ringbrennkammer dient, die konzentrisch
um den Reaktor angeordnet ist und bei der die innere Brennkammerwandung und die Wandung
der Misch- und Reaktionskammer identisch sind.
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