DE4313337C2 - Zyklon zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus vertikal-abwärts gerichteten Gas/Feststoff-Strömungen - Google Patents

Description

Die Erfindung hat die Abscheidung von Feststoffpartikeln aus Gas/Feststoff- Strömungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zum Gegenstand.

Gasphase-Reaktionen, bei denen feinkörnige Feststoffe katalytisch wirken, werden vorteilhaft derart durchgeführt, daß die Katalysatorpartikeln im vertikal-aufwärts ge­ richteten Gasstrom getragen im wesentlichen im zeitlichen Mittel in einer sog. Wir­ belschicht verbleiben. Eine wesentliche Verbesserung der querschnitts-bezogenen Leistung läßt sich dadurch erreichen, daß die auf den leeren Querschnitt bezogene Gasgeschwindigkeit wesentlich über die Sinkgeschwindigkeit eines einzelnen Kata­ lysatorkorns hinaus gesteigert wird. Der sich dann einstellende Bewegungszustand nähert sich mit steigender Gasgeschwindigkeit mehr und mehr dem einer pneumati­ schen Förderung vertikal-aufwärts. Selbstverständlich müssen bei dieser Fahrweise die mitgerissenen Katalysatorpartikeln aus dem Gasstrom abgeschieden werden.

Gemäß dem bekannten Stand der Technik geschieht dies dadurch, daß die vertikal­ aufwärts gerichtete Gas/Feststoff-Strömung zunächst in die Horizontale umgelenkt wird und danach in bekannter Weise einem Abscheidezyklon mit tangentialem Ein­ tritt zugeführt wird. Bei allen bekannten Vorzügen der letztgenannten Fahrweise er­ geben sich aber bei reaktionstechnisch interessanten Feststoff-Volumenkonzentra­ tionen und Strömung vertikal-aufwärts unvermeidbare Nachteile, die für eine optima­ le Reaktionsführung nachteilig sind: Es tritt bevorzugt in der Wandzone Feststoffrück­ vermischung auf, die ihrerseits Gas mitreißt, d. h. eine annähernd einheitliche Ver­ weilzeit läßt sich weder für die Katalysatorpartikeln, noch für das durchströmende Gasgemisch einstellen. Neigt die vorzunehmende chemische Reaktion zu Folgere­ aktionen, so werden die Ausbeute mindernde Nebenprodukte in unerwünschter Menge erzeugt. Zur Vermeidung dieser beschriebenen Nachteile wird daher in jüngster Zeit vorgeschlagen, derartige Feststoff-katalysierte Gasphasenreaktion in vertikal-abwärts gerichteter Gas/Feststoff-Strömung durchzuführen, weil hierbei Strömungskräfte und Erdschwere in gleicher Richtung an den Katalysatorpartikeln ziehend sowohl Feststoff- als auch Gas-Rückvermischung minimieren. Die techni­ sche Realisierung einer derartigen Fahrweise steht und fällt aber mit einer brauch­ baren Abscheidung des Feststoffes vom Reaktionsgas am unteren Ende einer ab­ wärts gerichteten Gas/Feststoff-Strömung. Der Begriff "brauchbar" umfaßt bei Feststoff-katalysierten Gasphasen-Reaktionen zwei wesentliche Aspekte:

• 1. Wirksame Abscheidung des Feststoffes vom Gas bei
• 2. schonender Behandlung des Feststoffes.

Die Erfüllung nur der ersten Forderung mag ausreichend sein z. B. im Falle der Ver­ brennung bzw. der Vergasung etwa von Kohle, weil der ausgebrannte Feststoff = Asche anschließend verworfen wird, d. h. Abrieb bzw. Zerkleinern der Ascheparti­ keln ist für den Erfolg des Verfahrens mehr oder weniger unerheblich.

Beim katalytischen Kracken von Benzinrohstoffen z. B. wird dagegen der Katalysator zwischen einem Reaktor und einem Regenerator viele Male hin- und herbewegt, d. h. die Katalysatorpartikeln müssen eine Vielzahl von Abscheidevorgängen möglichst ohne Bruch und mit so wenig wie möglich Abrieb überstehen.

Zyklonabscheider gemäß dem bekannten Stand der Technik erfüllen bei vertikal­ abwärts gerichteter Feststoff/Gas-Strömung nur die erstgenannte der beiden Aufga­ ben, d. h. das wirksame Abscheiden, nicht dagegen die zweitgenannte, d. h. die schonende Behandlung des Feststoffes.

Beim üblichen Zyklon mit tangentialem Eintritt muß die Feststoff/Gasströmung aus der Vertikalen mehr oder weniger in die Horizontale umgelenkt werden. Hierbei prallen die Feststoffpartikeln auf die Krümmerwand unter erheblicher Beanspru­ chung und deshalb unvermeidbarem Bruch bzw. Abrieb auf.

Eine derartige Lösung wird für eine abwärts strömende Flüssigkeits-Feststoff- Strömung (Hydrozyklon) in der DE 27 12 763 A1 offenbart.

Gemäß dem bekannten Stand der Technik käme als Alternative zum Zyklon mit tan­ gentialem Einlauf ein Zyklon mit axialem Zulauf von oben in Frage, der das Tauch­ rohr konzentrisch umgibt (Siehe z. B.: Vauck/Müller: Grundoperationen Mechanischer Verfahrenstechnik, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 7. Auflage 1988, Abb. 4.48, S. 239) Die für die Abscheidung des Feststoffes erforderliche Zentrifugalkraft wird bei dieser Zyklonvariante durch ein in die axiale Zuströmung eingefügtes feststehendes axiales Leitrad nach Art der feststehenden Leiträder von Axialturbinen bzw. Axialkompressoren erzeugt.

Damit eine derartige Strömungsumlenkung effektiv ist besitzen derartige Axialzy­ klone analog zu Axial-Kompressoren bzw. -Turbinen Leiträder mit einer Vielzahl von Schaufeln. Wegen ihrer Massenträgheit prallen dann aber praktisch alle Feststoff­ partikeln auf die Leitschaufeln auf und erleiden daher Abrieb bzw. gehen zu Bruch. Umgekehrt erleiden die Leitschaufeln erheblichen Verschleiß durch die auftreffen­ den Partikeln. Dieser Verschleiß dürfte der Hauptgrund dafür sein, daß sich sog. Axialzyklone mit axialen Leiträdern im Zulauf sich in der Praxis kaum durchsetzen konnten.

Gemäß dem bekannten Stand der Technik werden außermittig von oben in den Abscheideraum mündende Zufuhrleitungen für die zu reinigende Feststoff/Gas- Strömung für zylindrische Grundformen des Abscheideraumes vorgesehen. So betrifft die US 1 734 677 einen durchgängig zylindrischen Gaswäscher mit tangentialem Zulauf für die zu reinigende Strömung in den oberen Deckel unter einen Winkel gegen die vertikale Symmetrieachse gemäß Zeichnung von 45° Ähnlich offenbart die DE-OS 15 03 601 für eine durchgängige zylindrische Grundform einen außermittigen Einlauf mit kreisförmigem Querschnitt der derart von oben in die zylindrische Kammer einmündet, daß in der Seitenansicht die Achsen des zylindrischen Körpers und des außermittigen Zulaufs einen in der Schrift selbst spitz genannten Winkel einschließen.

Die DE-AS 10 78 998 offenbart insbesondere einen Zulauf in einen Hydrozyklon, der mit einem Winkel deutlich größer als 45° gegen die Zyklonachse in den am oberen Ende zylindrischen Zyklonkörper seitlich einmündet. Bei einem derartigen Zyklon bewirkt aber insbesondere bei einer Feststoff/Gas- Strömung die unstetige Richtungsänderung der schräg abwärts strömenden Feststoffsträhnen eine entsprechende abrupte Impulsänderung, die bei bruch- bzw. abriebempflindlichen Feststoffen schädlich ist.

Die nachstehend beschriebene Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, für die Feststoffabscheidung am unteren Ende einer vertikal-abwärts gerichteten Gas/Feststoff-Strömung eine Lösung anzugeben, die:

• 1. eine wirksame Abscheidung des Feststoffes vom Gas bewirkt bei gleichzeitig
• 2. schonender Behandlung des Feststoffes.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine weitere Ausbildung als Zyklons ist im Anspruch 2 angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachstehend in Wort und Bild an einem Beispiel erläutert. So zeigt Bild 1 eine Seitenansicht der Vorrichtung, Bild 2 einen Radialschnitt gemäß der Blickrichtung AA von Bild 1 und Bild 3 die Querschnittsform des Zuströmkanals beim Eintritt in den Zyklondeckel.

Wie Bild 1 ausweist, enthält die Vorrichtung einen durchgängig konischen Abscheideraum 1 für die Trennung von Feststoff und Gas, ein mittiges Tauchrohr 2 für den Abzug des gereinigten Gases und ein gegebenenfalls durch einen Abschirmkegel 3 vor dem Durchschlagen der Gasströmung geschütztes Feststoff- Fallrohr 4. Erfindungsgemäß erfolgt die Zuströmung der Gas/Feststoffmischung über einen in den Deckel 5 der Vorrichtung außermittig mündenden Zuströmkanal 6. Im Interesse einer möglichst schonenden Feststoffabscheidung ist dieser Zuströmkanal 6 gegen die Symmetrieachse 7 der Vorrichtung um einen Winkel α geneigt, der vorzugsweise kleiner als 45° ist.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die vertikale Gas/Feststoffströmung bezüglich der Abscheidevorrichtung den zur Feststoffabscheidung erforderlichen Drall erhält, ohne daß die Feststoffpartikeln wie beim bekannten Stand der Technik einer starken Umlenkung innerhalb eines Kanals, eines Umlenkgitters oder einer Kante im Zyklonkörper mit entsprechend starkem Abrieb und Verschleiß der Partikeln unterworfen wären.

Bild 2 zeigt einen Radialschnitt durch die patentgemäße Vorrichtung, der die Anordnung des vertikalen Zuströmkanals 6 offenbart. Um den Partikel-Verschleiß und Bruch durch Auftreffen auf Wandungen zu minimieren, ist die patentgemäße Vorrichtung gegen den vertikalen Zuströmkanal in radialer Richtung derart geneigt, daß die Außenwand 1a des konischen Abscheideraumes 1 und die Außenwand 6a des vertikalen Zuströmkanals fluchten.

Bild 3 zeigt die für die Feststoffabscheidung zweckmäßige Gestaltung des Teils des vertikalen Zuströmkanals 6 der in die patentgemäße Vorrichtung mündet. Hierbei ist der Zuströmkanal mit Zweieckquerschnitt ausgebildet, wobei der äußere, gekrümmte Teil des Zweieckquerschnitts exakt der Kontur des konischen Abscheideraums 1 folgt.

Bezugszeichenliste

1 konischer Abscheideraum
1a seitliche Wandkontur des konischen Abscheideraumes
2 mittiges Tauchrohr
3 Abschirmkegel
4 Feststoff-Fallrohr
5 Deckel des Abscheideraumes
6 außermittiger Zuströmkanal
6a seitliche Wandkontur des außermittigen Zuströmkanals
7 Symmetrieachse des Zyklons

Claims (2)

1. Zyklon zum Abscheiden von Feststoffen aus vertikal-abwärts gerichteten Gas- Feststoff-Strömungen mit einem außermittig schräg von oben in den Abscheideraum mündenden Zuströmkanal für das Gas-Feststoff-Gemisch, mit Abströmung der gereinigten Gasströmung über ein am oberen Ende des Abscheideraumes mittig angeordnetes Tauchrohr und mit Abströmung des abgeschiedenen Feststoffes über ein am unteren Ende des Abscheideraumes angeordnetes Feststoff-Fallrohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheideraum (1) durchgehend konisch ausgebildet ist, daß die außenseitig geradlinige Kontur des außermittig von oben in den Zyklonkörper mündenden Zuströmkanals (6) für das Gas-Feststoff-Gemisch der verlängert gedachten Kontur des durchgängig konischen Abscheideraumes (1) folgt, und daß der Zuströmkanal (6) für das Gas-Feststoff-Gemisch in der Seitenansicht gegen die vertikale Symmetrieachse des Zyklons einen Winkel von weniger als 45°einschließt.

2. Zyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung für das Gas-Feststoff-Gemisch in den oberen Zyklondeckel (5) mit einem Zweieckquerschnitt mündet, dessen Kontur auf der Außenseite der Kontur der Zyklonwandung folgt.