DE2044141A1

DE2044141A1 - Reaktionskammer zur thermischen Behandlung von feinkörnigem Gut in der Schwebe

Info

Publication number: DE2044141A1
Application number: DE19702044141
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-lng. Dr. 5000 Köln; Müller Erich Dipl.-lng. Dr. 5211 Lülsdorf; Otte Günter Dipl.-lng. 5211 Ranzel; Weigel Horst Dipl.-lng. 5000 Köln Biallas
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1970-09-05
Filing date: 1970-09-05
Publication date: 1972-03-16
Also published as: DE2044141B2; HU164266B; AU3306071A; FR2107224A5; DE2044141C3

Description

Klöckner-Humboldt-Deutz H 70/36

Aktiengesellschaft ... ,„

vom 4. September 1970 Mz/bon

Reaktionskammer zur thermischen Behandlung von feinkörnigem Gut in der Schwebe

Die Erfindung betrifft eine Reaktionskammer zur thermischen Behandlung von feinkörnigem Gut in der Schwebe, insbesondere zum Umkristallisieren von feinkö.rnigem Aluminiumoxid, bestehend aus einem im Grundriß kreisförmigen Reaktionsraum, in den im oberen Bereich mindestens ein Brenner und/oder mindestens eine Heißgasleitung tangential einmünden, mit einer Gutzufuhrvorrichtung, die mit dem Reaktionsraum unmittelbar oder über den Brenner bzw. die Heißgasleitung in Verbindung steht, mit einer Wirbelschicht für das zu behandelnde Gut im unteren Teil des Reaktionsraumes, die mit einem Gutaustrag wM mit einer Leitung für die Zufuhr von Trägergas versehen ist, und mit einer zentral angebrachten Gasauslaßöffnung in der Decke des Reaktionsraumes.

Eine Reaktionskammer dieser Art zur Behandlung von Aluminiumoxid ist aus der deutschen Auslegeschrift DT-AS 1 207 361 bekannt. Bei der Verwendung der bekannten Reaktionskammer wird feinkörniges Aluminiumhydroxid vor der Behandlung in der Reaktionskammer zunächst in einem Wärmeaustauscher getrocknet und dehydriert. Der Wärmetauscher wird mit dem Abgasstrom aus der Reaktionskammer betrieben. Nach der Dehydratation im

209812/1399

_₂_ 20UU1

Wärmeaustauscher liegt das Aluminiumoxid in der hygroskopischen Gamma-Phase mit einem nur geringen Restwassergehalt vor. Dieser ersten Behandlungsstufe im Wärmeaustauscher folgt als zweite Behandlungsstufe eine starke Erhitzung des Aluminiumoxids und die Umkristallisation des Gainma-Aluminiumoxids in Alpha-Aluminiumoxid in einem exothermen Prozeß bei konstanter Temperatur. Diese zweite Behandlungsstufe wird bei der bekannten Vorrichtung in einem zylindrischen Reaktionsraum durchgeführt. Das bis auf einen Restwassergehalt dehydratisierte Aluminiumoxid wird mit den heißen Gasen eines Brenners tangential in den oberen Teil des zylindrischen Reaktionsraumes eingeführt. Während der Aufheizung des Aluminiumoxids erfolgt die Austreibung des restlichen Hydratwassers. Durch den tangentialen Heißgaseinlaß entsteht im oberen Teil des Reaktionsraumes ein Zyklonwirbel, aus dem das feinkörnige Aluminiumoxid durch Fliehkraftwirkung an die Wände des zylindrischen Reaktionsraumes ausgeschleudert wird. Das feinkörnige Gut gelangt dann in die im unteren Teil des Reaktionsraumes befindliche Wirbelschicht, in der die Weiterbehandlung des Aluminiumoxids, die Umkristallisation des Gamma-Aluminiumoxids in Alpha-Aluminiumoxid bei konstanter Temperatur zwischen etwa 1000 und 1200⁰C stattfindet. Je langer die mittlere Verweilzeit des feinkörnigen Gutes in der Wirbelschicht ist, desto höher ist der Anteil von Alpha-Aluminiumoxid im Endprodukt, das der Wirbelschicht entnommen wird.

- 3 209812/ 1 399

derartige Reaktionskammer, in deren Reaktionsraum im oberen Teil ein Zyklonwirbel erzeugt ist und in deren unteren Teil eine Wirbelschicht vorhanden ist, kann auch für die thermische Behandlung anderer feinkörniger Güter verwendet werden. In der Reaktionskammer lassen sich auch chemische Prozesse, .insbesondere chemische Reaktionen zwischen Gasen und feinkörnigen Peststoffen durchführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Reaktionskammer noch zu verbessern. Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß der Reaktionsraum zwischen der Einmündung des Brenners bzw. der Heißgasleitung und der Wirbelschicht mit einer sich nach oben erweiternden Einschnürung versehen ist. Die Einschnürung des Reaktionsraumes bewirkt eine räumliche Trennung des durch die Heißgase erzeugten Zyklonwirbels und der Wirbelschicht im unteren Teil der Reaktionskammer. Dadurch ist sowohl eine gegenseitige Beeinflussung zwischen Zyklonwirbel und Wirbelschicht vermieden als auch die Möglichkeit gegeben, den Reaktionsraum so auszulegen, daß sich je nach den gestellten Anforderungen optimale Bedingungen für die Behandlung des feinkörnigen Gutes in Zyklonwirbel und Wirbelschicht erzielen lassen, also insbesondere in einem Reaktionsraum zwei Reaktionsphasen vom Gut durchlaufen werden können.

Durch die Öffnung, die von der Einschnürung im Reaktionsraum gebildet wird, steigen die Gase aus der Wirbelschicht in den

_ 4 _ 209812/1399

2044U1

oberen Teil des Reaktionsraumes und werden gemeinsam mit dem Gasstrom des Zyklonwirbels im oberen Teil des Reaktionsraumes zentral nach oben abgezogen. Die im oberen Teil des Reaktionsraumes aus dem Zyklonwirbel abgeschiedenen Teilchen bewegen sich an der Wandung entlang nach unten auf die Öffnung der Einschnürung zu und gelangen von dort in die Wirbelschicht im unteren Teil des Reaktionsraumes. Die Einschnürung des Reaktionsraumes bewirkt hierbei, daß die Gutteilchen in genügender Entfernung von der am Rand des Wirbelbettes angeordneten Gutaustragsöffnung auf die Oberfläche der Wirbelschicht auftreffen. Dadurch wird die mitüßre Yerweilzeit des Gutes in der Wirbelschicht erhöht, so daß beispielsweise bei der Umkristallisation von Gamma-Aluminiumoxid der Anteil an Alpha-Aluminiumoxid im Endprodukt erhöht wird.

Vorzugsweise ist die Einschnürung im Reaktionsraum nach oben konisch erweitert. Es entsteht so ein einfach herstellbarer und leicht in die Reaktionskammer einzusetzender Kegelstumpf, der zudem für die aus dem Zyklonwirbel abgeschiedenen Gutteilchen eine vorteilhaft 'Gleitfläche bis zur engsten Einschnürstelle im Reaktionsraum bildet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einschnürung mit Abstand unterhalb der Einmündung des Brenners bzw. der Heißgasleitung angeordnet. Für die Umkristallisation des Gamma-Aluminiumoxids in Alpha-Aluminiumoxid im Reaktionsraum ist

- 5 209812/1399

der Abstand der Einschnürung des Brenners bzw. der Heißgasleitung so bemessen, daß im oberen Teil des Reaktionsraumes im Zyklonwirbel im wesentlichen die Aufheizung und Austreibung des Restwassergehaltes des Aluminiumoxids erfolgt, und daß im unteren Teil des Reaktionsraumes in der Wirbelschicht hauptsächlich die Umwandlung des Gamma-Aluminiumoxids in Alpha-Aluminiumoxid bewirkt wird.

Um ein Eindringen des Zyklonwirbels in den unteren Teil des Reaktionsraumes bis zur Oberfläche der Wirbelschicht mit Sicherheit zu verhindern, kann die Einschnürung zweckmäßig mit Abstand oberhalb der Oberfläche der Wirbelschicht angeordnet werden. Außerdem soll dadurch den Gasen, die die Wirbelschicht durchströmen, über der Oberfläche der Wirbelschicht ein genügender Sammelraum zur Verfügung gestellt werden. Vorzugsweise verjüngt sich der Reaktionsraum zwischen der Oberfläche der Wirbelschicht und der Einschnürung allmählich.

Zur Unterstützung der Ausbildung des Zyklonwirbels weist die Achse der tangentialen Einmündung des Brenners bzw. der Heißgasleitung zweckmäßigerweise nach unten geneigt in den zylindrischen Reaktionsraum, vor allem dann, wenn mit Rücksicht auf hohe Gastemperaturen ein sogenanntes Tauchrohr für den Abzug der Gase aus dem Reaktionsraum aus werkstofftechnischen Gründen nicht verwendet werden kann, sondern die Gase über eine einfache zentrale Öffnung in der Decke des Reaktionsrau-. mes abgezogen werden müssen.

209812/1399

-6- 20AAU1

Die Ausbildung des Zyklonwirbels im Reaktionsraum kann aber auch durch eine schraubenförmig nach unten verlaufende Leitfläche eingeleitet werden, die sich an der Innenseite der Decke des Reaktionsraumes befindet und oberhalb des Brenners bzw. des Heißgaseinlasses beginnend, etwa einmal über den Umfang des Reaktionsraumes reicht. Zweckmäßig wird die Steigung der schraubenförmig verlaufenden Leitfläche so gewählt, daß sie dem Neigungswinkel der Einmündungsachse des Brenners bzw. der Heißgasleitung entspricht. Hierdurch können die Druckverluste der Gase beim Übergang aus der Einmündung in den Reaktionsraum verringert werden.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnimg dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Reaktionskammer besteht aus je einem oberen und einem unteren zylindrischen Wandteil 1a bzw. 1b, die beide zusammen P einen im Grundriß kreisförmigen Reaktionsraum 2 umschließen. Der Reaktionsraum wird nach oben durch eine Decke 3 begrenzt. Zentral in der Decke befindet sich eine Gasauslaßöffnung 4. Tangential in den oberen Teil 2a des Reaktionsraumes 2 mündet in einem stumpfen Winkel zur Längsachse des zylindrischen Reaktionsraumes 2 nach unten geneigt ein Brenner oder Heißgaseinlaß 5.

Durch den Brenner oder Heißgaseinlaß 5 kann in den oberen

- 7 -209812/1399

Teil 2a des Reaktionsraumes 2 gleichzeitig mit den einströmenden Heißgasen das zu behandelnde Gut eingeführt werden. Das direkte Einführen des feinkörnigen Gutes in den Brenner hat den Vorteil, daß die Temperatur der Flamme des Brenners beim Eintritt in den Reaktionsraum so weit gesenkt wird, daß die feuerfeste Ausmauerung des Reaktionsraumes thermisch nicht überlastet wird. Das feinkörnige Gut kann aber auch durch eine gesonderte Gutzuführungsöffnung in der Decke des Reaktionsraumes - getrennt von den Gasen des Brenners - in den Reaktionsraum eingeführt werden. Bei anderen Behandlungsverfahren kann das feinkörnige Gut schon vor dem Reaktionsraum mit dem Heißgasstrom vermischt werden, um dann gemeinsam mit den Heißgasen in den Reaktionsraum einzuströmen.

An der Innenseite der Decke 3 befindet sich eine schraubenförmige Leitfläche 6, die oberhalb des Brenners bzw. Heißgaseinlasses 5 beginnt. Die Leitfläche 6 verläuft in Mündungsrichtung des nach unten geneigten Brenners bzw. Heißgaseinlasses 5 abwärts und reicht etwa einmal über den Umfang des Reaktionsraumes. Im Ausführungsbeispiel ist die Leitfläche 6 mit der Decke 3 des Reaktionsraumes unmittelbar verbunden.

Im unteren Teil 2b des Reaktionsraumes 2 befindet sich eine aus dem Behändlungsgut gebildete Wirbelschicht 7. Dazu ist oberhalb eines kegelförmigen Bodens 8, der mit einer Zufuhrleitung 9 für ein Trägergas versehen ist, im Reaktionsraum

- 8 209812/1399

ein mit Gasdurchtrittsöffnungen 10 versehener Trägerrost 11 als untere Begrenzung der Wirbelschicht 7 befestigt. In Höhe der Oberfläche 12 der Wirbelschicht 7 sind am zylindrischen Wandteil 1b eine oder mehrere Gutaustragsöffnungen 13 für das Fertigprodukt angeordnet. Die Gutaustragsöffnungen 13 stehen mit einer Gutaustragsleitung H in Verbindung. Die Anordnung der Gutaustragsöffnungen 13 in Höhe der Oberfläche der Wirbelschicht 7 ist nur beispielsweise gewählt. Eine oder mehrere Gutaustragsöffnungen 13 können auch an einer anderen Stelle am Wandteil 1b im Bereich der Wirbelschicht 7 angebraiit sein.

Zwischen der oberen Einlaßöffnung 5 und der unteren Wirbelschicht 7 ist der Reaktionsraum 2 mit einer Einschnürung 15 versehen. Von der Einschnürung erweitert sich die Wandung des Reaktionsraumes nach oben und unten stetig, vorzugsweise konisch auf den Durchmesser der zylindrischen Teile 1a und P 1b der Reaktionskammer. Der Öffnungswinkel der Erweiterung zur Wirbelschicht hin kann hierbei groß sein, da hierdurch nur ein Sa.Tnmeira.nTn für das Trägergas gebildet werden soll. Der Öffnungswinkel zum oberen Teil des Reaktionsraumes hin dagegen wird kleiner gewählt, um sowohl ein ungestörtes "Fließen" des aus dem Zyklonwirbel ausgeschiedenen Gutes entlang der Wandung in den unteren Teil des Reaktionsraumes als auch eine gute Umlenkung des unteren Endes des Zyklonwirbels zu erzielen.

209812/1399

2044H1

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Reaktionskammer wird als Anwendungsbeispiel das Umkristallisieren von feinkörnigem Aluminiumoxid beschrieben.

Nach, der Dehydratation von Aluminiumhydroxid in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmeaustauscher, der mit den Abgasen aus der Reaktionskammer unter Ausnutzung der Abgaswärme betrieben wird und den das feinkörnige Aluminiumoxid als Gamma-Phase mit einem nur geringen Restwassergehalt verläßt, wird das feinkörnige Gut den heißen Gasen eines Brenners aufgegeben. Die Brennergase und das feinkörnige Aluminiumoxid strömen durch den oberen Heißgaseinlaß 5 tangential in den Reaktionsraum 2 ein. Der nach unten geneigte Heißgaseinlaß 5 und die schraubenförmig geführte Leitfläche 6 wirken sich bei der Ausbildung des Zyklonwirbels im oberen Teil 2a des Reaktionsraumes 2 sehr günstig aus. Durch die Brennergase wird das feinkörnige Aluminiumoxid vollständig dehydriert und auf eine Temperatur erhitzt, die etwa zwischen 1000⁰C und 125O⁰C liegt. Aus dem Zyklonwirbel wird das feinkörnige Gut durch Fliehkraftwirkung an die Wandungen des Reaktionsraumes ausgeschleudert. Das Gut gleitet danach an der konischen Fläche des Kegelstumpfteiles 16 zur Einschnürung 15. Durch die Öffnung, die von der Einschnürung 15 im Reaktionsraum 2 zwischen dem oberen Teil 2a und dem unteren Teil 2b gebildet wird, fällt das Gut nach unten in die Wirbelschicht 7 im unteren Teil 2b des Reaktionsraumes 2.

- 10 209812/1399

204AH1

- ίο -

In der Wirbelschicht 7 erfolgt das Umkristallisieren des Aluminiumoxids aus der Gamma-Phase in die Alpha-Phase. Die Umwandlung in der Wirbelschicht 7 wird bei einer Temperatur durchgeführt, bei der ein Zusammenbacken der feinkörnigen Teilchen vermieden wird, beispMsweise für die Umkristallisierung von Aluminiumoxid bei einer Temperatur von maximal 125O⁰C. Die Umwandlung verläuft exotherm. Um die frei werdende Wärmemenge aufzunehmen, wird zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht 7 ' Kaltluft als Trägergas verwendet, die durch den Gaseinlaßstutzen 9 und den Trägerrost 11 in die Wirbelschicht 7 gepreßt wird. Für die Behandlung anderer feinkörniger Güter in der Reaktionskammer kann die Wirbelschicht 7 auch mit Warmluft oder erhitzten Reaktionsgasen betrieben werden.

Nach Durchströmen der Wirbelschicht 7 sammelt sich die erhitzte luft in dem vom Kegelstumpfteil 17 begrenzten Raum oberhalb der Oberfläche 12 der Wirbelschicht 7 und wird durch die Öff-P nung, die von der Einschnürung 15 gebildet ist, aus dem unteren Teil 2b des Reaktionsraumes 2 abgeführt. Die Einschnürung muß so bemessen sein, daß die Strömungsgeschwindigkeit der erwärmten Luft im Bereich der Einschnürung 15 nur so hoch ist, daß nahezu keine Gutteilchen aus der Wirbelschicht mitgerissen und in den oberen Teil 2a des Reaktionsraumes 2 zurückgeführt werden. Zusammen mit den Gasen aus dem Zyklonwirbel strömt die erhitzte Luft im Kern des im Teil 2a des Reaktionsraumes aufrechterhaltenen Zyklonwirbels weiter nach oben.

- 11 -209812/1399

Jl

Die Gase verlassen den Reaktionsraum 2 gemeinsam durch die Gasauslaßöffnung 4 und werden in der Regel zur Vorerhitzung des Behändlungsgutes in einen vorgeschalteten Wärmeaustauscher eingeleitet, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Hach Umwandlung des Gamma-Aluminiumoxids in Alpha-Aluminiumoxid in der Wirbelschicht 7 wird das Fertigprodukt über die Gutaustragsoffnung 13 und die Gutaustragsleitung 14 aus der Reaktionskammer abgezogen und in der Regel einer Kühleinrichtung zugeführt. Kühleinrichtungen für das Gut, die der Reaktionskammer nachgeschaltet sein können, sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Patentansprüche

- 12 -

209812/1399

Claims

20UU1 - 12 P a ten tansprüche

1. Reaktionskammer zur thermischen Behandlung von feinkörnigem Gut in der Schwebe, insbesondere zum Umkristallisieren von Aluminiumoxid, bestehend aus einem im Grundriß kreisförmigen Reaktionsraum, in den im oberen Bereich mindestens ein Brenner und/oder mindestens eine Heißgasleitung tangential einmünden, mit einer Gutzufuhrvorrichtung, die mit dem Reak-

w tionsraum unmittelbar oder über den Brenner bzw. die Heißgasleitung in Verbindung steht, mit einer Wirbelschicht für das zu behandelnde Gut im unteren Teil des Reaktionsraumes, die mit einem Gutaustrag und mit einer Leitung für die Zufuhr von Trägergas versehen ist, und einerzentral angebrachten Gasauslaßöffnung in der Decke des Reaktionsraumes, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum (2) zwischen Brenner bzw. Heißgaseinlaß (5) und der Wirbelschicht (7) mit einer sich nach oben erweiternden Einschnürung (15) versehen ist.

2. Reaktionskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einschnürung (15) konisch erweitert.

3. Reaktionskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung (15) mit Abstand unterhalb der Einmündung des Brenners bzw. des Heißgaseinlasses (5) angeordnet ist.

- 13 209812/1399

20UU1

4. Reaktionskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung (15) mit Abstand oberhalb der Oberfläche (12) der Wirbelschicht (7) angeordnet ist.

5. Reaktionskammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Reaktionsraum (2b) zwischen der Oberfläche (12) der Wirbelschicht (7) und der Einschnürung (15) allmählich verjüngt.

6. Reaktionskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der tangentialen Einmündung des Brenners bzw. der Heißgasleitung (5) nach unten geneigt in den Reaktionsraum (2a) weist.

7. Reaktionskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Innenseite der Decke (3) des Reaktionsraumes (2a) eine schraubenförmig nach unten verlaufende Leitfläche (6) befindet, die oberhalb des Brenners bzw. des Heißgaseinlasses (5) beginnend etwa einmal über den Umfang des Reaktionsraumes reicht.

8. Reaktionskammer nach Anspruch 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der schraubenförmig verlaufenden Leitfläche (6) dem Neigungswinkel der Einmündungsachse des Brenners bzw. der Heißgasleitung (5) entspricht.

209812/1399

Leerseite