Drehrohrofen und dessen Verwendung

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehrohrofen für die Durchführung von Gas-Feststoff-Reaktionen, bestehend aus einem indirekt beheizten, rotierenden und mit Auf-und Abgabevorrichtungen für Feststoffe und Gasein- und ableitungen versehenen Reaktionsrohr mit inneren Einbauten.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehrohrofen für die Durchführung von Gas-Feststoff-Reaktionen, bestehend aus einem indirekt beheizten, rotierenden und mit Auf- und Abgabevorrichtungen für Feststoffe und Gasein-und ableitungen versehenen Reaktionsrohr mit inneren Einbauten.

[0002] Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des Drehrohrofens.

[0003] Drehrohröfen werden für die Durchführung zahlreicher Reaktionen zwischen Gasen und rieselfähigen, nicht klebenden Feststoffen eingesetzt (Chem.-Ing.-Techn. 51 (1979) Nr. 8, S. 771-778; Verlag Chemie, Weinheim).

[0004] Indirekt beheizte Drehrohröfen werden insbesondere bei solchen Prozessen eingesetzt, bei denen eine von der Rauchgasart und -menge unabhängige Gasführung und Gaszusammensetzung innerhalb des Drehrohres benötigt wird. Derartig indirekt beheizte öfen können sowohl mit elektrischen Heizelementen als auch mit Brennern ausgerüstet sein. Selbst bei öl- oder gasbeheizten öfen führt die AuBenheizung zu einer von der Rauchgasart und -menge unabhängigen Gasführung und Gaszusammensetzung innerhalb des Drehrohres. Gewünschte Temperaturprofile können durch getrennt regelbare Heizzonen eingestellt werden.

[0005] Da solche Drehrohröfen gasdicht betrieben werden können, erlauben sie eine Fahrweise unter erhöhtem Gasdruck. Deshalb werden sie für die Durchführung von Reaktionen in einer gewünschten Gasatmosphäre unter völligem Ausschluß von Luftsauerstoff bevorzugt eingesetzt. Besonders sind sie für Reaktionen interessant geworden, bei denen eine erhöhte Gefahr zur Bildung explosiver Gemische mit Luft besteht, wie es bei leicht entzündlichen Gasen und feinteiligen, pyrophoren Pulvern der Fall ist.

[0006] Drehrohröfen haben den Vorteil der kontinuierlichen Reaktionsführung im bewegten Bett. Sie weisen aber den Nachteil der Quer- und Längsvermischung während des Durchgangs der Reaktionspartner durch den Ofen auf. Hierdurch erfahren die Einzelpartikel verschiedene Reaktionsbedingungen entsprechend ihrer unterschiedlichen Verweilzeit in den einzelnen Zonen.

[0007] Ändern sich aber die Eigenschaften der Feststoffe während der Reaktion, so läßt sich die mittlere Verweilzeit der Einzelpartikel nur noch schwer vorherberechnen. Sie kann nur noch experimentell, beispielsweise durch Dotierung, ermittelt werden. Allgemein werden unter diesen Umständen relativ breite Verweilzeitsprektren erhalten. Das bedeutet eine für das Einzelkorn unterschiedliche Behandlungsdauer, die bei empfindlichen Produkten zu einem deutlichen Qualitätsnachteil führen kann.

[0008] Das Ziel dieser Erfindung besteht darin, einen Drehrohrofen bereitzustellen, in dem es möglich ist, ein möglichst enges Verweilspektrum bei möglichst gutem Kontakt zwischen Gas und Feststoff zu erzielen.

[0009] Bisher sind bereits Maßnahmen zur Erzielung engerer Verweilzeitspektren bekannt geworden. So ist es heute üblich, mit der Ofenwand fest verbundene Wendeln einzubauen, die auf das Produkt eine Zwangsförderung ausüben. Auch sind Maßnahmen beschrieben, die einen besseren Kontakt von Gas und Feststoff herbeiführen sollen. So werden beispielsweise Wendeleisten oder Hubschaufeln eingebaut, die das Produkt anheben und quer zur Gasströmung abfallen lassen.

[0010] Es ist aus der DE-A 3 025 716 eine Vorrichtung bekannt geworden, die bei einheitlicher Verweilzeit durch wendelförmige Zwangsförderung einen besseren Kontakt von Gas und Feststoff ergibt, indem das Gas ebenfalls entlang der wendelförmigen Bahn geleitet wird. Der Nachteil dieses indirekt beheizten, rotierenden wendelförmigen Reaktionsrohres besteht darin, daß die Zuführung des Feststoffes schwierig ist und in der normalen Ausführungsform bei jeder Umdrehung des Wendelrohres intermittierend erfolgt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß die reaktionsfähigen Gase nur oberhalb der Schüttung entlang geleitet werden können, infolgedessen kann kein sehr hoher Nutzungsgrad des Gases erreicht werden.

[0011] Es gelang nun, einen solchen Drehrohrofen zu konstruieren, der die genannten Forderungen hervorragend erfüllt, ohne die oben beschriebenen Nachteile aufzuweisen.

[0012] Der erfindungsgemäße Drehrohrofen für die Durchführung von Gas-Feststoff-Reaktionen, bestehend aus einem indirekt beheizten, rotierenden und mit Auf- und Abgabevorrichtungen für Feststoffe und Gasein- und ableitungen versehenen Reaktionsrohr mit inneren Einbauten ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten aus einem über die gesamte Ofenlänge verlaufenden, beidseitig geschlossenen Zentralrohr und einer Wendelung, die ihrerseits sowohl mit dem Zentralrohr und dem äußeren Drehrohr dicht verbunden ist, bestehen.

[0013] In einem solchen Drehrohrofen geschieht eine Zwangsförderung ohne Rückvermischung durch die geschlossenen Wendel. Dies bedingt ein enges Verweilzeitspektrum der _Einzelteilchen; jedes Feststoffteilchen erfährt somit die gleichen Bedingungen und zeigt gleiche Eigenschaften auf.

[0014] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich der innere Umfang des äußeren Drehrohres mit Hubschaufeln versehen. Diese Hubschaufeln können im Drehrohrofen je nach Bedarf angeordnet sein, wobei sich im allgemeinen aber eine gleichmäßige Verteilung anbietet.

[0015] Zur Durchführung der meisten Reaktionen sollte das Drehrohr gasdicht abgeschlossen sein.

[0016] Die vorgenannten im Drehrohr enthaltenen Einbauten, im folgenden als geschlossene Wendel mit Hubschaufeln bezeichnet, sind besonders wirkungsvoll, wenn das wendelförmig um das Zentralrohr bewegte Reaktionsgas'im Gegenstrom zum Feststoff geführt wird. In der Freizone zwischen Zentralrohr und Hubschaufeln liegt in jeder Wendelkammer ein feststoffbeladener Gasraum vor, der durch die von den aufwärtsgeführten Hubschaufeln abrieselnden Produktschleier erzeugt wird. Bei Gegenstromführung von Gas und Feststoff sind diese Zonen mit mechanisch unterstützten Wirbelschichten vergleichbar. Die Anzahl der Windungen über die Länge des Drehrohres entspricht der Anzahl der hintereinandergeschalteten Wirbelschichten.

[0017] Dieses als vielstufenwirbelschichtreaktor anzusehende Drehrohr sollte im Freiraum jeder Wendelung wegen des intensiven Gaskontaktes möglichst gleichmäßig mit Feststoff beaufschlagt werden. Hier hat sich herausgestellt, daß zweckmäßig die Hubschaufeln in Abhängigkeit von Schüttwinkel und Rieselfähigkeit des Produktes positiv angestellt werden. Entsprechend ergibt sich während des Betriebes eine höhere Druckdifferenz zwischen den Gasein- und -austrittstellen. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei guter Feststoffverteilung im Gasraum der durch die Wirbelschicht erzeugte Druckverlust um ein Vielfaches höher liegt als der Druckverlust, der lediglich durch die gekrümmte Kanalströmung mit ruhender Schüttung hervorgerufen wird.

[0018] Die Höhe der Hubschaufeln, in Fig. 2 mit h bezeichnet, wird vorteilhafterweise so bemessen, daß der Rest des von den Hubschaufeln abfallenden Feststoffes noch gerade nicht das innere Zentralrohr berührt. Hierdurch ist gewährleistet, daß keine Vermischung des Produktes von einer Wendelkammer in die anderen erfolgt.

[0019] Der Vorteil des erfindungsgemäßen Drehrohrofens besteht in einem verbesserten Kontakt von Gas und Feststoff, entsprechend einer verstärkten Ausnutzung des zu reagierenden Gases bei Gegenstromführung.

[0020] Gleichzeitig ergibt sich ein enges Verweilzeitsprektrum der Feststoffteilchen. Die Steuerung der Verweilzeit wird vereinfacht, da sie in großen Bereichen nur noch von der Drehzahl und nicht mehr von Aufgabemenge und Ofenneigung beeinflußt wird. Ebenfalls läßt sich der Füllgrad des Drehrohres leichter einstellen, da er von der Aufgabemenge und weniger von Drehzahl und Neigung des Ofens abhängt.

[0021] Die Kapazität des erfindungsgemäßen Drehrohrofens kann im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wesentlich gesteigert werden, ohne eine Verschlechterung des Produktes in Kauf nehmen zu müssen. In vielen Fällen lassen sich die Qualitätseigenschaften verbessern. Die erforderlichen Ofentemperaturen können häufig bei gleicher oder verkürzter Verweilzeit erniedrigt werden, wodurch neben Einsparung von Heizenergie Verbesserungen der Materialeigenschaften für thermoempfindliche Stoffe erzielt werden. Der Einfluß des Kornspektrums auf die Produktqualität wird stark zurückgedrängt, somit eine homogene Produktqualität erreicht.

[0022] Der erfindungsgemäße Drehrohrofen ist technisch vielseitig einsetzbar für kontinuierlich geführte Reaktionsprozesse von Gasen mit rieselfähigen, nicht klebenden Feststoffen. Er kann auch prinzipiell für thermische Behandlungen, wie für Aufheiz- oder Abkühlvorgänge oder für Temperungen in verschiedenen Gasatmosphären eingesetzt werden. Es ist hierbei unerheblich, ob in dem zu behandelnden Gut chemische Reaktionen oder nur physikalische Prozesse, wie Wärmeübergänge von Gas auf Feststoff, ablaufen.

[0023] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung des Drehrohrofens für verschiedene Verfahren. Beispielsweise gehört hierzu die Verwendung des erfindungsgemäßen Drehrohrofens für Oxidations-, Reduktions-, Chlorierungs-, Abröst-, Aufschluß-, Katalyse-, Temper- oder Abkühlprozesse. Zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört bevorzugt die Verwendung des Drehrohrofens für die Herstellung feinteiliger Metalle oder Metalloxide durch Reduktion höherwertiger Oxide mit reduzierenden Gasen, insbesondere zur Herstellung von feinteiligen Eisenoxiden mit definiertem Oxidationsgrad und metallischem Eisen für magnetische Aufzeichnungszwecke.

[0024] Gerade bei solchen magnetischen Aufzeichnungsmaterialien kommt der Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung zum Tragen, da diese Produkte wegen ihrer Feinteiligkeit bei Temperaturbehandlungen leicht zu Versinterungen neigen, gleichzeitig sind die magnetischen Daten dieser qualitativ hochwertigen Produkte wesentlich von einem engen Teilchensprektrum bedingt.

[0025] Aber auch die Gewinnung von Metallen, wie Wolfram, Kupfer oder Nickel, kann vorteilhaft im erfindungsgefäßen Drehrohrofen erfolgen. Weiter wird die Herstellung von Mischphasenpigmenten, Aktivkohle und keramischen Feststoffen in solchen öfen ermöglicht, um nur einige Beispiele anzuführen.

[0026] In den Abbildungen ist der erfindungsgemäße Drehrohrofen rein schematisch dargestellt und nachstehend näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Drehrohr,

Fig. 2 einen Querschnitt des Drehrohres.

[0027] In Fig. 1 wird der Feststoff über eine Produktaufgabe 1 in das Drehrohr geführt. Er wird durch die zwischen äußerem Drehrohr 9 und innerem Zentralrohr 6 dicht eingebaute Wendel 5 entsprechend der Umdrehungszahl des Drehrohres in angezeigter Durchlaufrichtung weitergeführt. Das behandelte Produkt tritt bei 2 aus dem Drehrohr. Im Gegenstrom hierzu wird bei 3 das Reaktions-oder Prozeßgas dem Drehrohr zugeführt. Damit das Gas entsprechend der Wendelung spiralförmig dem Feststoff entgegenströmt, ist das innere Zentralrohr 6 an beiden Enden mit Verschlußstopfen 7 versehen. Bei 4 wird das Gas aus dem sich drehenden Reaktionsrohr abgeleitet.

[0028] In Fig. 2 ist über dem Querschnitt gesehen schematisch der Anteil der Feststoffe zu erkennen, der als Schüttung auf den gleichmäßig über den inneren Umgang des äußeren Drehrohrofens 9 angebrachten Hubschaufeln 8 ruht. In 10 ist der Drehsinn des Gasstromes entgegen den von den Schaufeln 8 abfallenden Produktschleiern, und in 11 ist die Drehrichtung des Reaktionsrohres angezeigt.

[0029] Die Dimensionierung der Einbauten ist abhängig von den vorgesehenen Mengenströmen, den erforderlichen Stoffverhältnissen und den produktspezifischen Eigenschaften der Reaktionspartner. Besonders gehen in die Auslegung Korngröße, Kornverteilung, Schüttwinkel und Dichte der Feststoffe sowie in geringerem Umfang Viskosität und Dichte der Gase ein, Kennzahlen, die auch in der Fließbettechnik eine wichtige Rolle spielen.

[0030] Durch die Festlegung von Drehrohrdurchmesser und -länge, Wendelsteigerung, Zentralrohrdurchmesser, Hubschaufelanzahl, -form, -höhe und -anstellung sind ausreichend _Be-einflussungsmöglichkeiten für das Betriebsverhalten gegeben. Als veränderbare Parameter dienen Aufgabemenge, _Tem- peraturprofil, Umdrehungszahl des Drehrohres, Gasmenge, Inertgasanteil und Ausgangstemperatur von Gas und Feststoff.

[0031] Die Drehzahl ist so zu wählen, daß das Material genügend oft angehoben wird. Bei zu geringer Umdrehung überwiegt das Ruhen der Schüttung auf den Hubschaufeln. Wenn bei normalen Drehzahlen die Verweilzeit bei gegebener Reaktorlänge für den vollständigen Umsatz nicht ausreicht, ist es sinnvoll, alternierend das Drehrohr in beiden Drehrichtungen zu betreiben, wobei die für die Produktdurchschleusung maßgebende Drehrichtung zeitlich überwiegt. Durch diese Maßnahme werden bei gleicher Drehzahl längere Verweilzeiten erhalten. Das Anstellen der Hubschaufeln wirkt sich bei dieser besonderen Verfahrensweise nicht mehr vorteilhaft aus.

[0032] Der Füllgrad des Drehrohres wird bevorzugterweise so eingestellt, daß kein überschießen des Produktes über die Hubschaufeln erfolgt.

[0033] Zur weiteren Erläuterung der erfindungsgemäßen Verwendung des Drehrohrofens dienen nachfolgend aufgeführte Beispiele, ohne daß darin eine Einschränkung der Erfindung zu sehen ist.

Beispiel 1

[0034] Herstellung von Magnetit aus Hämatit durch Reduktion mit Wasserstoff.

[0035] Durch Entwässerung von α-FeOOH (Goethit) gewonnenes, nadelförmiges oe -Fe₂0₃ (Hämatit) mit einer Korngröße von 0,5 bis 2 mm und einer spez. Oberfläche von 29 m²/g wird aus einem Vorratsbunker kontinuierlich über eine Bandwaage in den Drehrohrofen geleitet. Das indirekt beheizbare, gasdichte Drehrohr verfügt über eine in drei getrennt regelbaren Zonen aufgeteilte Heizstrecke von 2 m bei einem inneren Druchmesser von 30 cm. Die inneren Einbauten bestehen aus der geschlossenen Wendel mit 43 Windungen. In jeder Wendelkammer sind über den Umfang gleichmäßig verteilt 16 mit einem Winkel von 25° positiv angestellte Hibschaufeln angebracht. Die Höhe der Hubschaufeln beträgt 35 mm. Das Zentralrohr besitzt einen Durchmesser von 76 mm. Die Kanallänge errechnet sich zu ca. 25 m.

[0036] Mit einer eingestellten Drehzahl von 2 Upm wird eine Verweilzeit von etwa 20 min erhalten. Die Temperaturen werden von der Durchlaufrichtung der Feststoffe her gesehen in der ersten Zone auf 420°C und in der zweiten und dritten Zone auf 440°C gehalten. Bei einer Aufgabemenge an Hämatit von 24 kg/h beträgt der Füllgrad 11,5 %. Die im Gegenstrom zugeführte Wasserstoffmenge liegt bei 3 Nm³/h. Zusätzlich wird noch 1 Nm³/h Wasserdampf eingespeist. Zur Abdichtung von den Ofenköpfen dient die Aufgabe von 0,75 Nm³/h Stickstoff. Der Druckverlust im bewegten Drehrohr liegt bei 10 mm, im ruhenden bei 4 mm Wassersäule.

[0037] Am Ofenauslauf wurden kontinuierlich etwa 23 kg/h Magnetit mit einem FeO-Gehalt von 30 % erhalten. Nach der thermischen Behandlung des Produktes bei 100°C in einer Stickstoffatmosphäre mit 6,5 Vol.-% Sauerstoff erniedrigt sich der FeO-Gehalt auf 25 bis 27 %. Der nun stabilisierte nadelförmige Magnetit weist eine spez. Oberfläche von 28 m²/g auf. Die Ausrichtbarkeit (Rechteckigkeitsverhältnis) beträgt 0,90, gemessen in einem Magnetfeld von 3000 Oe. Die Koerzitivkraft liegt bei 450 Oe. Damit ist das erhaltene Produkt in der Anwendung als magnetisches Aufzeichnungsmaterial vorzüglich geeignet.

[0038] Vergleichsversuche in einem Drehrohr gleicher Abmessungen, jedoch lediglich mit Wendeleisten als innere Einbauten, zeigten, daß bei gleicher Temperatureinstellung und bei gleichem Wasserstoffdurchsatz nur die halbe Gewichtsmenge Hämatit reduziert werden konnte. Zudem betrug die spezifische Oberfläche des erhaltenen stabilisierten Magnetits nur 24 m²/g bei einer niedrigeren Ausrichtbarkeit von 0,85.

Beispiel 2

[0039] Herstellung von metallischen Eisenteilchen durch Reduktion von Goethit mittels Wasserstoff.

[0040] In dem in Beispiel 1 beschriebenen Drehrohr wird α-FeOOH (Goethit) in einer Menge von 2 kg/h aufgegeben. Die Korngröße des zugeführten Materials liegt zwischen 0,5 und 2 mm. Die spez. Oberfläche beträgt 56 m²/g. Die Temperaturen des mit 4 % Neigung und 2 Upm sich drehenden Reaktionsrohres werden in den drei Heizzonen auf etwa 430°_C eingestellt. Die im Gegenstrom zugeführte Wasserstoffmenge liegt bei 15 Nm³/h. Zusätzlich werden über die Ofenköpfe 2 _Nm³/h Stickstoff eingeleitet. Man erhält stündlich 1,25 kg pyrophores Eisen mit einem Metallgehalt von 98,5 %. Die spez. Oberfläche des nadelförmigen Eisens beträgt 20 m²/g, die Koerzitivkraft 1100 Oe. Das Produkt ist besonders zur Einarbeitung in Magnetbänder geeignet..

Ansprüche

1. Drehrohrofen für die Durchführung von Gas-Feststoff-Reaktionen, bestehend aus einem indirekt beheizten, rotierenden und mit Auf- und Abgabevorrichtungen für Feststoffe und Gasein- und ableitungen versehenen Reaktionsrohr mit inneren Einbauten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten aus einem über die gesamte Ofenlänge verlaufenden, beidseitig geschlossenen Zentralrohr (6) und einer Wendelung (5), die ihrerseits sowohl mit dem Zentralrohr (6) und dem äußeren Drehrohr (9) dicht verbunden ist, bestehen.

2. Drehrohrofen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der innere Umfang des äußeren Drehrohres (9) mit Hubschaufeln <8) versehen ist.

3. Drehrohrofen gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubschaufeln positiv angestellt sind.

4. Drehrohrofen gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubschaufeln gleichmäßig verteilt sind.

5. Drehrohrofen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr gasdicht abgeschlossen ist.

6. Verwendung des Drehrohrofens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Durchführung von Oxidations-, _Reduktions-, Chlorierungs-, Abröst-, Aufschluß-, Katalyse-, Temper- oder Abkühlprozessen.

7. Verwendung des Drehrohrofens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von magnetischen Eisenoxidpigmenten.

8. Verwendung des Drehrohrofens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung von magnetischen Metallteilchen.

9. Verwendung des Drehrohrofens gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase im Gegenstrom zu den Feststoffen geleitet werden.

Zeichnung