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Verfahren und Vorrichtung zur Wirbelschichtbehandlung von
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fließunwilligen Haufwerken Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wirbelschichtbehandlung von fließunwilligen
Haufwerken, insbesondere von pulverförmigen und/oder oberflächenfeuchten SchUttgüttern.
Mit der Erfindung lassen sich eine Vielsahl verfahrenstechnishcer Aufgaben, wie
z.B. Kühlung, Trocknung, Mischvorgänge, Reaktionen realisieren.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösung Bekannt sind ein Verfahren
und eine Vorrichtung, bei denen durch in Bodennähe einmdndende Lufteintrittsöffnungen
diskontinuierlich Luft in ein Haufwerk eingeblasen wird (L. SELIK, Chem.-Äng.-techn.
32, 1960, 4, 253 - 257). Nachteilig ist hierbei die relativ komplizierte Einrichtung
für die diskontinuierliche Luftzuführung, die außerdem immer an gleicher Stelle
eintritt. Will man hdhere Leerraumgeschwindigkeiten verwirklichen, wird das System
der Luftzuführung und -verteilung noch aufwendiger.
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Bekannt sind Vorrichtungen, bei denen das-Wirbelmedium Uber randgängige,
fUr die Beinverteilung des Wirbelmediums mit einer Vielzahl von Einzelöffnungen
oder Langldchern bzw. Schlitzen versehene Verteilerrohre eines am Bodenteil rotierenden
Hohlrührers in das Haufwerk eingetragen wird (US-PS 2.336.018,
DL-PS
69507 und DL-PS 103460).
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Bei diesen Vorrichtungen bildet sich, unabhängig von der Drehzahl
des Hohlrührers, eine stationäre, mit vertikaler Hauptaustauschrichtung umlaufende
Wirbelschicht. Auf Grund geometrischer Zusammenhänge besteht im Zentrum der umlaufenden
Wirbelsohicht eine stark materialverdUnnte Zone mit aufwärtsgerichteter Strömmungsrichtung
und an der Peri pherie eine abwärtsgerichtete Strömung mit einer sehr hohen Beladung.
Diese Vorrichtungen sind nur begrenzt wirksam.
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Wird in einer Vorrichtung mit der beschriebenen Luftverteilung die
Wirbelgeschwindigkeit gesteigert, tritt im Zentrum der Umlaufschicht eine weitere
starke Diohteabaahme ein und es bildet sich eine typische Sprudelochicht mit einem
pneumatisch fördernden Austragkanal. Beim Übergang von der Umlaufschicht steigt
der Austrag sprunghaft an und die Erhöhung der Wirbelgeschwindigkeit führt zu keiner
äquivalenten Steigerung des Wärmeüberganges zwischen Wand und Wirbelschicht. Interne
Heiz- oder Kühlflächen können die Sprudelschicht derart stören, daß sie teilweise
oder vollständig zum Erliegen kommt. Temperaturlabile Stoffe kennen dabei qualitativ
erheblich geschädigt werden.
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Ziel der Erfindung Die Erfindung hat das Ziel, mit geringen apparativen
und energetischen Aufwand unter Vermeidung hohen Staubaustrages bei gleichzeitiger
Verbesserung der Wirksamkeit dee Wärmeaustausches durch periphere oder interne Hein-
oder Kühlflächen, fließunwillige und temperaturlabile Stoffe einer schonenden Wirbelschichtbehandlung
zu unterziehen.
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Darlegung des Wasens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, die
bekannten Zuführungs- und
Verteilungsvorrichtungen fur das Wirbelmedium,
die entweder diskontinuierliche und örtlich gleichbleiebende Luftzuführungen oder
stationäre Umlaufschichten bzw. Sprudelsohiohten hervorrufen, zu vermeiden, indem
eine neuartige Eintragung und Verteilung des Wirbelmediums geschaffen wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe daduroh gelost, daß die Teilluftmengen
momentan und örtlich konzentriert eingetragen werden. Sie überfluten zeitlich und
ötlich begrenzt das Wirbelgut.
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Damit wird eine der Anzahl der Teilluftmengen entsprechende Anzahl
diskreter Umlaufschichten erzeugt. Diese existieren durch die Drehbewegung des Luftverteilers,
bezogen auf einen festen Punkt der Grundfläohe der Wirbelapparatur, nur kurzfristig,
d. ho auf Jedem der Austrittsöffnung des Luftverteilers zugeordneten Radius findet
eine permanente Neubildung von diskreten Umlaufschichten statt. Die auf dem Jeweiligen
Radius entstehenden diskreten Umlaufschiohten bilden in vertikaler Erstrecknung
einen Hohlzylinder, dessen Wandstärke annähernd der momentanen Einwirkungszone der
Teilluftaustrittsöffnung in Bodennähe entspricht0 Da sich die erfindungsgemäßen
momentanen Einwirkungszonen der Teilluftmengen nicht gegenseitig durohdringen, bildet
sich, ausgehend von Jeder Teilluftaustrittsstelle, ein diskretes, für die Umlaufschicht
typisches Dichtegefälle aus.
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Duroh dieses wird innerhalb der diskreten Umlaufschioht eine umlaufende
Bewegung ausgebildet. Infolge der Ortsveränderung der Teilluftaustrittsstelle entlang
dem Umfang des der Teilluftaustrittsöffnung zugeordneten Teilradius wird die diskrete
Umlaufsohioht im Einwirkungsteilkreisring ständig
neu gebildet.
Die Wirbelluft wirkt somit immer auf Bereiche mit einer abwärtsgerichteten Tendenz
ein. Die von der örtlich begrenzt austretenden Wirbelluft ausgehenden Besohleunigungskräfte
werden dabei in Bewegungsrichtung der Teilluftaustrittsstellen vom abwärtsgerichteten
Produktstrom kompensiert, die abwärtsgerichtete Tendenz des Produktstromes ftir
den Zeitraum der Binwirkang der Wirbelluft in eine aufwärtsgeriohtete umgewandelt
und eine intensive Fluidisierung mit ständig wechselnder Hauptaustauschrichtung
erreicht0 Die momentan örtlich konzentrierte Eintragung der Teilluftmengen erfolgt
dadurch, daß die Wirbelluft in einem scharfen Strahl rechtwinklig oder in einem
Winkel bis zu 300 gegen den Behälterboden geblasen wird0 Beim Auftreffen des Luftstrahles
auf den Behälterboden wird dieser breit gefächert, reflektiert und auf Grund der
hydrostatischen Verhältnisse umgelenkt. Hierbei vermischt er sich mit dem in der
Wirbelapparatur befindlichen Schüttgut und bildet in vertikaler Erstreckung die
schon beschriebene diskrete Umlaufschicht. Die Sinwirkzone des Luftstrahles ist
annähernd identisch mit der ReflexionszoneO Die oben beschriebene Eintragung des
Wirbelmediums und die Zerlegung der Gesamtluftmenge in die begrenzte Anzahl von
Teilluftmengen erfolgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine besonders
ausgebildete, rotierende Luftverteilervorrichtung.
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An dem erfindungsgemäßen Luftverteiler werden die Austrittsstellen
der Wirbelluft so angeordnet, daß für den Abstand a der Teilluftaustrittsstellen
folgende Beziehung gilt:
wobei a Abstand zweier Einzelluftaustrittsöffnungen in m k Faktor für die Luftstrahlverbreiterung
A Gesamtfläche der Luitaustrittsöffnung in m2 n Anzahl der Luftaustrittsöffnungen
bzw.
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der Luftverteilerrohre d Durchmesser der Grundfläche der Wirbelechichtapparatur
in m bedeuten. Der Faktor k variiert zwischen fUnf und 16 und ist unter anderem
abhängig von der Luftaustrittsgeschwindigkeit der Teilluftmenge, der Wirbelschichthöhe
und der Hydrodynamik der Wirbelschioht. Die Anordnung aller LuftaustrittstSffnungen
der Luftverteilerelemente wird weiter durch den äquivalenten Radius räqu gekennzeichnet.
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Dieser wird wie folgt definiertt Summe der Abstände der Luftaustrittsöfnungen
vom Mittelpunkt dividiert durch die Anzahl der Luftverteilerelemente.
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Der äquivalente Radius einer archimedesepiraligen A-nordnung der Luftverteilerelemente
beträgt annähernd 0,5 r und stellt annähernd die erfindungsgemäße untere Grenze
der mittleren Entfernung aller Luftaustrittsöffnungen vom Drehpunkt der Luftverteilvorricht
dar.
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Die obere Grenze iUr den äquivalenten Radius beträgt < 1 r, vorzugsweise
0*6 bis 0,9 r.
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Die Länge der Luftverteilerelemente wird durch den Abstand der Luftaustrittsöffnugen
vom Drehpunkt der Luftverteilervorrichtung bestimmt. Die Anzahl der Luftaustrittsstellen
ist annähernd umgekehrt proportional des Radius der Lurtverteilervorrichtung und
beträgt 4 bis 55 pro Quadratmeter
der von der Luftverteilvorrichtung
Uberstrichenen Flächen der Wirbelapparatur.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt die Gesamtfläche der
Teilluftaustrittsstellen zwischen 0,005 m2/m2 und 0*04 m2/m2. Das entspricht einer
"freien Siebfläche" von nur 0,5 bis 4 % wodurch die Verteilung der benötigten Luftmengen
im Vergleich zu bisher verwendeten Wirbels¢hichtvorrichtungen wesentlich erleichtert
wird.
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Da das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
mehr flexibel sind,kdnnen unter Verwendung der vorgexchlagenen Lösung eine Vielzahl
von verfahrenstechnischen Aufgaben gelost werden. Die große Flexibilität wird durch
die Wahl der Umfangsgeschwindigkeit der Luftverteilervorrichtung, durch die Dimensionierung
der Teilluftasutrittsstellen und die Luftaustrittsgeschwindigkeit erreicht.
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Je nachdem wie die Umfangsgeschwindigkeit des Luftverteilers, die
Anordnung der LuStaustrittsstellen zueinander sowie die Dimensionierung der Luftaustrittsstellen
an den Luftverteilerelementen gewählt wurde, erhält man eine charakteristische Ausbildung
der Virbelschioht, so ist es z.3. möglich, durch Änderung der Umfangsgeschwindigkeit
der Luftverteilervorrichtung die Ausbildung des Wirbelbettes zu beeinflussen.
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Bei niedriger Umfangsgeschwindigkeit stoßen die von den Luftaustrittsöffnungen
ausgehenden diskreten Umlaufschichten bis an die Schichtoberfläche durch. Die Wirbel
schicht ist durch starke vertikale Mischbewegungen gekennzeichnet.
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Bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten werden die Beschleunigungskräfte
der aus den Einzelöffnungen austretenden
Wirbelluft bereits in
tieferen Zonen der Wirbelschicht kompensiert, so daß die Wirbelschicht unter sonst
gleichen Bedingungen einen ruhig siedenden Charakter annimmt Die erfindungsgemäße
Vorrichtung wird mit Umfangegeschwin digkeiten von 0,3 räqu pro Sekunde bis 6 ruqU
pro Sekunde betrieben.
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FUr viele Wirbelschichtbehandlungen hat sich eine Umfangsgeschwindigkeit
von 1 raqU pro Sekunde als günstig erwiesen.
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Es wurden Luftaustrittsgeschwindigkeiten aus den Teilluft austrittsstellen
zwischen 20 m pro Sekunde und 100 m pro Sekunde verwendet. Für eine große Anzahl
fließunwilliger Haufwerke ist eine solche von 35 bis 80m pro Sekunde erforderlich.
Das entspricht einer Luftgeschwindigkeit im Ausgangspunkt des Luftstrahles, die
3- bis 200-fach über der Schwebegeschwindigkeit des Einzelkornes liegt.
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Sind bei der Fluidisierung von extrem feinpulvrigen Haufwerken der
Luftaustrittsgeschwindigkeit bestimmte Grenzen gesetzt, werden solche BeschleunigungskrAfte
aufgewendet, die eine homogene Fluidisierung von extrem feinpulvrigen Haufwerken
bei Vermeidung hohen Staubaustrages ermöglichen.
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In diesem Fall wird die obere Grenze der Luftaustrittsgeschwindigkeit
verwendet.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich eine Vielzahl verfahrenstechnischer
Aufgaben, wie æ.B. Trocknungsaufgaben, Reaktionen, Mischvorgänge durchführen, Da
es mit der erfindungsgemäßen Lösung mög-lioh ist, feinpulvrige und/oder oberflächenfeuchte
Materialien auch in Gegenwart von internen Heiz- und KUhlflächen homogen zu fluidisieren,
steht die sehr große spezifische Oberfläche der feinpulvrigen
Materialien
voll zur Verfügung, so daß Wärme- und Stoffaustauschvorgänge mit großer Geschwindigkeit
ablaufen können.
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Die Erfindung soll nachstehend an 3 Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Es werden dafür zweckm§ßig dafUr zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung fUr die DurchfUhrung bestimmter verfehrenstechnischer Aufgaben beschrieben.
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Figur 1 zeigt teilweise einen geschnittenen Wirbelschichtapparat
mit einem zylindrischen Mantel 1 dem Unterteil mit Bodenplatte 2 und LuftverteiLer.
Wesentliche Einzelheiten des Luftverteilers sind die zweifach gelagerte Welle 3
der Verteilerkopf 4 und Verteilerelemente 5. Die Verteilerelemente weisen Jeweils
am Ende des Rohres eine Luftaustrittsstelle 6 auf. Die Wirbelluft A wird über den
Luftkasten 7 dem Verteilerkopf 4 und die Verteilerelemente drUckend und saugend
gefördert. Die Wirbelluft bläst, aus den Ittftaustrittsstellen austretend, gegen
die BOdenplatte.
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Dabei vermischt sich die Wirbelluft mit dem Haufwerk, wobei die Einwirkungzone
mit dem Durchmesser D auf einem der Breite B entsprechenden Kreisring in Drehrichtung
ständig neu gebildet wird.
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Figur 2 zeigt die Draufsicht eines kompletten Bodenteiles mit einem
Luftverteiler und sechs Luftverteilerelementen, Die Anordnung der Luftaustrittsstellen
ist annähernd äquivalent der Länge der Einzelrohre und bildet eine linksgangige
Spirale mit räqu gleich 0,75 r.
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Die in den Figuren 1 und 2 beschriebene Vorrichtung macht die Anwendung
hoher Wirhelgeschwindigkeiten vor allem bei
sehr feinem Material
möglich. Infolge der so endigen Ortsveränderung der Luftaustritesstellen wird eine
Kanal bildung mit seinen negativen Folgen permanent verhindert und der Staubau9trag
aus der Schicht in minimalen Grenzen gehalten.
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Beispiel 1 - Mischen gemahlener Trockenspeisekartoffeln mit Kartoffelstärke
und Speisesalz Es werden in eine Wirbelschichtapparatur mit 1,2 m Durchmesser gleichzeitig
962 kg gemahlene Trockenspeisekartoffein, 273 kg handelsUbliche KartoffelsbArke
und 65 kg Speisesalz eingespeist. Bereits während der Einspeisung wird Wirbelluft
über einen mit 60 U/min rotierenden Luftverteiler mit acht Einzelrohren gemäß Figur
2 eingetragen.
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Die Leerraumgeschwindigkeit beträgt 0,32 n/S. Die Mischung ist praktisch
mit Abschluß der Einspeisung homogen.Mit einem Sicherheitszuschlag von 20 5 wird
der Mischvorgang beendet.
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Die Behandlung von oberflächenfuechtem Material bereitet ebenfalls
keine Schwierigkeiten. Feststoffzusammenstellungen werden durch die auf einer Kreisbahn
umlaufenden diskreten Umlaufschichten sehr schnell aufgelöst und das oberflächenfeuchte
Material intensiv mit dem vorgelegten Material vermischt.
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Eine solche Behandlung wird im folgenden Beispiel beschrieben.
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Beispiel 2 beschreibt die Herstellung von Extraktionsharnstoffschnitzeln
In eine Wirbelschichtapparatur gemäß Beispiel 1 wird mit einer Leerraumgeschwindigkeit
von 1 m/s fluidisierte Zuckerrübenextraktionsschniteel eine, bezogen auf die vorgelegte
Menge,
2 %ige wäßrige Harnstofflösung eingetragen. Der Teilchendurchmesser der Extraktionsschnitzel
liegt zwischen 0,1 bis 4 mm. Trotz großer Teilchenunterschiede und einem relativ
hohen Wassergehalt kommt die Schicht nicht zum Erliegen.
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Es ist weiter möglich, komplizierte Einbauten, wie z.B.
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Rohre usw. in der Wirbelschicht zu installieren, ohne daß die wirbelschichtqualität
darunter leidet. Bei Trocknungsprozessen kann dadurch das Verhältnis von konkretiver
Wärme zur Kontaktwärme zu Gunsten der Kontaktwärme verschoben werden. Die Wirbelluft
hat in diesem Fall neben der Erzielung gewünschter Hydrodynamik nur noch die Aufgabe,
das abgetrocknete Wasser abzutransportieren Die Wärmeverluste werden damit vermindert.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Reduzierung der Aufgaben der Wirblagenz,
wenn mit Inertgasen oder überhitzten Lösungsmitteldämpfen gearbeitet wird.
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Figur 3 zeigt die Draufsicht eines kompletten Bodenteiles mit einer
unregelmäßigen Anordnung der Luftaustrittsstellen und räqu gleich 0,7 r.
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Weitere Anordnungen sind mdgliah.
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Figur 4 zeigt einen Wirbelschichttrockner. Wesentliche Elemente dieses
Trockners sind der Bodenteil gemäß Figur 3, der beheizbare Doppelmantel der beheizbare
innere WSrmeaustauscher, die oberhalb der Wirbelschioht liegende Produktzuführung
sowie die ebenfalls oberhalb der Wirbelschicht befindliche Produktaustragung. Die
Wirbelluft wird über einen Zyklon entstaubt und das zurückzuführende Material über
eine Zellenschleuse bzw. ein äquivalentes Abschlußorgan zurückgeführt.
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Beispiel 3 - Trocknung handelsAblicher Kartoffelstärke im hygroskopische
Bereich Die durch die Figur 3 und 4 beschriebene AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung läßt sich gut zur Trocknung von handelsüblicher Kartoffelstärke im hygroskopischen
Bereich verwenden.
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Dazu wird kontinuierlich 5625 kh/h handelsUbliche Kartoffelstärke
mit einem Anfangswassergehalt von Xa a 0,25 kg H2O/kg Stärke und einer Anfangstemperatur
von 800 C eingespeist. Der Wirbelluftetrom wird durch den mit 40 U/min rotierenden
Luftverteiler gemäß Figur 3 grob.in sechs Einzelluftströme aufgeteilt. Die Leeraumgeschwindigkeit
beträgt 0,73 m/s, der freie Raum oberhalb der Wirbelschicht (Separationsraum) 1,1
x Wirbelschichthöhe. Als Heizmedium dient Dampf mit t = 1950 C, Die Summe aller
von der Wirbelschicht direkt berührten peripheren und internen Heizflächen beträgt
18,7 m2.
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Das eingespeiste Haufwerk verläßt die Apparatur mit einer Temperatur
von 1000 C und ist praktisch wasserfrei. Der verwirklichte Wärmestrom wird durch
Wärmeübergangszahl k = 667 koal/m2 h °C charakterisiert. Pro kg verdampftes Wasser
werden 887 koal verbraucht.