[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine
Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens, bestehend aus einem Wirbelschichtreaktor
mit einer Einspeiseeinrichtung und einer Austragseinrichtung für Schüttgut, einer
Zuführeinrichtung und einer Abführeinrichtung für Wirbelgas sowie einer mit dem Wirbelschichtreaktor
verbundenen Wärmequelle.
[0002] Bei der Wärmebehandlung, insbesondere beim Trocknen, feinteiliger Schüttgüter, wie
Pulver oder Puder, vor allem aus dem Bereich der chemischen, pharmazeutischen oder
Lebensmittelindustrie, ist im besonderen Maße die Gleichmäßigkeit der Behandlung und
die Verhinderung von Agglomeratbildungen von größter Wichtigkeit.
[0003] Es ist bekannt, vor allem solche feinstkörnigen Stoffe in Kontakttrocknern zu trocknen.
Bei einem Kontakttrockner ("Das Trocknen", F. Kneule, Verlag Sauerländer (Aarau und
Frankfurt/Main) 1975, - im folgenden kurz "Kneule" genannt - Seiten 419 bis 444) wird
das zu trocknende Gut mittels einer Schnecke transportiert und die zur Trocknung benötigte
Wärme wird indirekt über eine Mantelheizung zugeführt. - Beim Schneckentransport bildet
ein Pulver leicht eine Isolationsschicht an der Rohrwand und behindert so den Wärmedurchgang.
Dies verursacht einen relativ hohen Wärmebedarf und höhere Trocknungstemperaturen,
die wiederum die Bildung von Wärmenestern verursachen können. Bei einem Stromtrockner
(Kneule, Seiten 355 bis 370) erfolgt der Guttransport mittels eines Warmluftstromes,
der durch ein Kanalsystem geleitet wird. Hierbei wird die Wärme direkt zwischen Warmluft
und Puder ausgetauscht. Zur Abscheidung des Puders und der Transportluft ist beim
Stromtrockner ein Zyklon nachgeschaltet. - Bei dieser Trocknungsart ist die Verweilzeit
des Puders in der Trocknungsphase sehr gering. Dies erfordert hohe Lufteintrittstemperaturen,
so daß auch bei diesem Verfahren ein relativ großer Wärmebedarf besteht. Außerdem
ist der Energieaufwand für den Transport von Luft und Trockengut hoch. Beim Wirbelschichttrockner
(Kneule, Seiten 331 bis 335 und "Trockner und Trocknungsverfahren", K. Kröll, Verlag
Springer (Berlin), zweite Auflage, 1978, Seiten 238 bis 246) wird schließlich mit
einem Warmluftstrom,der durch einen Anströmboden in das zu trocknende Gut geleitet
wird, ein Fließbett erzeugt, das sich im fluidisierten Zustand wie eine Flüssigkeit
verhält. Der Wärmeaustausch erfolgt auch hier direkt zwischen Warmluft und Pulver.
Zur Feinreinigung des Wirbelluftstromes ist ein Zyklon oder Filter nachgeschlatet.
- Beim Wirbelschichttrockner besteht zwar keine Gefahr einer lokalen Überhitzung,
jedoch sind die Ergebnisse der bekannten Wirbelschichtverfahren wenig befriedigend,
weil die praktischen Trocknungsergebnisse unterschiedlich gut und häufig auch ungleichmäßig
sind.
[0004] Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine gleichmäßige Wärmebehandlung, insbesondere
Trocknung, von Pulvern, Pudern, feinen Stäuben und ähnlichen feinteiligen Schüttgütern
gewährleisten, wobei ein geringstmöglicher Energieverbrauch angestrebt wird und die
Bildung von Wärmenestern und Anbackungen vermieden werden sollen, so daß die Behandlungsergebnisse
insgesamt sehr gleichmäßig sind.
[0005] Die Erfindung wird in bezug auf ein Verfahren der eingangs genannten Art durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst und durch die Merkmale des. Anspruches
2 weiter verbessert. In bezug auf eine Vorrichtung der eingangs genannten Art wird
die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3 gelöst. Die Ansprüche
4 bis 13 stellen weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dar.
[0006] Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß überraschenderweise erst die erfindungsgemäße
Merkmalskombination das anstehende Problem befriedigend löst, also eine Kombination,
bei der die Wirbelschicht durch aus einem sich drehenden Rührarm entweichenden Wirbelgase
aufrechterhalten und die Wärmebehandlung zumindest teilweise durch ein vom Wirbelgas
unabhängiges Wärmetauschmedium erfolgt.
[0007] Bei den in Rede stehenden Wärmebehandlungen kann es sich prinzipiell um endotherme
oder exotherme Prozesse handeln, d. h. daß durch das Wärmetauschmedium Wärme zu- oder
abgeführt wird. Das Wirbelgas kann ausschließlich zur Aufrechterhaltung von Wirbelbedingungen
verwendet werden, es kann aber auch Reaktionspartner einer eventuell stattfindenden
chemischen Reaktion sein und schließlich - und zwar bevorzugt - wird durch das Wirbelgas
die Wärmebehandlung unterstützt, d. h. Wärme abgeführt oder aber - insbesondere bevorzugt
- Wärme zugeführt, um z. B. das feinteilige Schüttgut gezielt zu trocknen. Trocknen
im Sinne der Erfindung heißt, den Feuchtigkeitsgehalt des Schüttgutes zu. vermindern
und dadurch die gewünschte Restfeuchte herbeizuführen. Feinteilig im Sinne der Erfindung
bedeutet, daß die Schüttgüter einen mittleren Korndurchmesser von in der Regel weniger
als 1 mm, meist aber weniger als 0,1 mm und noch weniger, aufweisen. Unter Wirbelschicht
im Sinne der Erfindung wird der Zustand der Schüttgutpartikel verstanden, bei dem
sie sich wie eine Flüssigkeit in einem Behälter verhalten.
[0008] Das erfindungsgemäße Wärmetauschmedium kann rekuperativer oder regenerativer Art
sein; letzteres wäre ein Feststoff als Wärmeträger, der in den Wirbelschichtreaktor
eingetragen wird und welcher nach erfolgter Wärmebehandlung vom Schüttgut wieder getrennt
wird. Bevorzugt wird aber ein rekuperativer Wärmetauscher, der von einem Wärmeträgerfluid
durchströmt wird; in bezug auf das Wärmeträgerfluid ist das erfindungsgemäße Verfahren
keinenprinzipiellen Beschränkungen unterworfen.Letzteres gilt auch in bezug auf das
Wirbelgas und insbesondere auch auf den Rührarm, dessen Gestaltung dem Wärmebehandlungsproblem
und der Form des Wir-; belschichtreaktors frei angepaßt werden kann.
[0009] Schließlich wird unter dem Einbringen der benötigten Wärmemenge sowohl die Zufuhr
als auch die Abfuhr von Wärme in bzw. aus der Wirbelschicht verstanden.
[0010] Es ist erfindungsgemäß möglich und je nach Wärmebehandlungsprozeß auch erwünscht,
dasselbe Gas als Wirbelgas und als Wärmeträgerfluid zu verwenden; dabei ist Parallel-
oder Serienschaltung möglich. - Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn
erfindungsgemäß die benötigte Wärmemenge zu etwa 1 - 50 % durch das Wirbelgas und
zu etwa 50 - 99 % durch das Wärmetauschmedium bereitgestellt wird; bevorzugt soll
also der überwiegende Teil des Wärmetransportes durch das Wärmetauschmedium erfolgen.
[0011] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die Einspeiseeinrichtung für das Schüttgut
alle für solche Vorgänge üblichen und an sich bekannten Geräteteile, wie z. B. einen
Vorratsbunker, eine Dosiereinrichtung, einen Desagglomerator, eine Schleuse; das gleiche
gilt für die Austragseinrichtung, die z. B. aus einem Wehr und einer Schleuse bestehen
kann. Auch für die Zu- und Abführung für Wirbelgas können die hierfür bekannten Gerätschaften
verwendet werden, dabei muß eine geeignete Vorrichtung zur Beaufschlagung des Rührarmes
mit Wirbelgas vorgesehen sein. Weiterhin empfiehlt sich eine Abscheideeinrichtung
für Schüttgutpartikel, die mit dem Wirbelgas aus dem Wirbelschichtreaktor ausgetragen
worden sind.
[0012] Die erfindungsgemäße Anordnung des Rührarmes im untersten Bereich des Wirbelschichtreaktors
verhindert ein Absetzen von Schüttgutpartikeln am Reaktorboden; dies wird durch die
Maßnahmen der Ansprüche 5 und 6 weiter unterstützt, insbesondere werden eventuelle
gebildete Agglomerate zerstört und eine Fluidisierung auch in diesem Reaktorbereich
erzielt.
[0013] Die erfindungsgemäßen Mittel zur Feststoffzerteilung am Rührarm stellen eine weitere
vorteilhafte Maßnahme zur Vermeidung von Agglomeratbildungen im Bereich des Rührarmes
und ggf. in dem unter dem Rüharm liegenden Bereich des Wirbelschichtreaktors dar.
- Es versteht sich, daß die Ausgestaltung dieser Mittel zur Feststoffzerkleinerung
ebenso wie die Gestaltung des Rührarmes auf verschiedene Weise realisiert werden kann,
wobei der Rührarm auch mehrfach verzweigt, sozusagen mehrarmig, sein kann.
[0014] Die erfindungsgemäß in die Wirbelschicht eingetauchten Mittel zur Rückhaltung der
Schüttgutpartikel können Wehre, Wände und andere Einbauten sein, die in der allgemeinen
Transportrichtung der Schüttgutpartikel durch den Wirbelschichtreaktor von dessen
Eingangs- zu dessen Ausgansseite Engstellen bilden, die ein Zurückvermischen (backmixing)
der Schüttgutpartikel vermindern und damit das Verweilzeitspektrum vergleichmäßigen.
[0015] Besonders vorteilhaft und effektiv wirken erfindungsgemäß solche Wärmetauscher, die
als Mittel zum Zurückhalten der Schüttgutpartikel ausgebildet sind, da im Bereich
der Engstellen der Wärmeübergang zwischen Schüttgutpartikeln und Wärmetauscher verbessert
ist. - Ein erfindungsgemäß lamellenförmiger Aufbau des Wärmetauschers zu diesem Zweck,
z. B. nach Art von Heizkörperrippen,eignet sich ganz besonders gut.
[0016] Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Einspeisestelle und der Austragsstelle für
das Schüttgut in bzw. aus dem Wirbelschichtreaktor im Bereich der beiden höhenmäßigen
Extrempositionen desselben wird gegenüber der allgemeinen horizontalen Wanderrichtung
der Schüttgutpartikel eine vertikale Bewegungskomponente erzielt und eine besonders
gleichmäßige und effektive Verteilung der Schüttgutpartikel bei ihrer Einspeisung
bewirkt. Es versteht sich, daß der Weg der einzelnen Schüttgutpartikel durch den Wirbelschichtreaktor
dann besonders groß ist, wenn sowohl die Einspeiseals auch die Austragsstelle die
gleiche höhenmäßige Extremposition einnehmen und innerhalb des Wirbelschichtreaktors
zwischen diesen beiden ein Wehr von den Schüttgutpartikeln über- oder unterflossen
werden muß.
[0017] Die erfindungsgemäße Höhenverstellbarkeit einer Überlaufeinrichtung für.das Schüttgut
am Wirbelschichtreaktor erleichtert den Betrieb im Teillastbereich und die Einstellung
der Verweilzeit der Schüttgutpartikel im Wirbelschichtreaktor.
[0018] Besonders gut werden die erfindungsgemäßen Ziele durch den erfindungsgemäßen kaskadenförmigen
Aufbau des Wirbelschichtreaktors erreicht. Hierbei wird an das Hintereinanderschalten
einzelner Behandlungszonen gedacht, die von allen Schüttgutpartikeln durchlaufen werden
müssen. Z. B. können solche Kaskaden durch in Wanderrichtung der Schüttgutpartikel
hintereinander aufgestellte, lamellenförmige Wärmetauscher gebildet werden.
[0019] Insgesamt ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung also eine kontinuierliche und
automatisierte Arbeitsweise möglich, wobei jeweils soviel wärmebehandeltes Material
selbsttätig ausgetragen wie nicht behandeltes zugegeben wird.
[0020] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere, neben der Vermeidung
von Störungen durch Überhitzung und Anbackungen, in dem geringeren Wärmebedarf aufgrund
der glücklichen Kombination von Wirbelgas und Wärmetauschmedium, wobei für den Transport
der Schüttgutpartikel nur außerordentlich wenig Energie benötigt wird. Ein weiterer
Vorteil besteht in der durch die Erfindung möglich gewordenen Minimierung des Reaktorvolumens,
der Verkleinerung der nachge-schalteten Zyklone für die Trennung von/Wirbelgas und
Schüttgutpartikeln und die relativ geringe Oberfläche des einzusetzenden Wärmetauschmediums.
[0021] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand
der beiligenden Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten
Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüche oder deren Rückbeziehung.
[0022] In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, zum Teil im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen runden Wirbelschichtreaktor,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen länglichen Wirbelschichtreaktor und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Reaktor von Fig. 2 entlang der Linie A-A.
[0023] Gemäß Fig. 1 wird das zu behandelnde Schüttgut der Vorlage 1 aufgegeben; über eine
Austragshilfe 2 gelangt es über einen Dosierer 3, erforderlichenfalls unter Zwischenschaltung
eines Desagglomerators 4 zu einer Schleuse 5 und von dort in den Wirbelschichtreaktor
6. In letzterem sind ein doppelseitiger Rührarm 7, ein als Trennwand ausgebildetes
Mittel 8 zum Zurückhalten der Schüttgutpartikel sowie ein Wärmetauscher 9 untergebracht.
[0024] Über eine Schleuse 10 kann das behandelte Schüttgut den Wirbelschichtreaktor 6 verlassen.
[0025] Wirbelgas für den Wirbelschichtreaktor 6 wird mittels eines Gebläses 11 angesaugt
und einer Wärmeenergiequelle 12 zugeführt. Das so aufgeheizte Wirbelgas gelangt über
eine Drehdurchführung 13 in den Rührarm 7, der durch den Antrieb 14 gedreht wird.
[0026] Das den Wirbelschichtreaktor 6 verlassende Wirbelgas wird in einem Abscheider 15
von mitgerissenen Schüttgutpartikeln befreit und zurWeiterverwendung abgeführt, während
über Schleuse 16 die abgeschiedenen Schüttgutpartikel dem die Schleuse 10 verlassenden
Materialstrom zugeführt werden.
[0027] Die Anlagenteile der Bezugszeichen 1 - 5 sind insgesamt, wenn auch nicht zwingend
notwendige, Bestandteile der Einspeiseeinrichtung 17. Die Schleuse 10 ist Bestandteil
der Austragseinrichtung für Schüttgut. Das Gebläse 11 und die Drehdurchführung 13
sind Bestandteile der Zuführeinrichtung für Wirbelgas, während der Abscheider 15 Bestandteil
der Abführeinrichtung hierfür ist. Die Wärmeenergiequelle 12 kann - wie hier nicht
dargestellt - auch alternativ oder zusätzlich für das Wärmeträgerfluid im Wärmetauscher
9 verwendet werden.
[0028] Die Rühreinrichtung 18 umfaßt den Antrieb 14, die Drehdurchführung 13, den Rührerschaft
19 sowie den Rührarm 7. Der Rührerschaft kann z. B. hohl ausgeführt sein, ebenso wie
der Rührarm, welcher mit Austrittsöffnungen 20 für Wirbelgas versehen ist.
[0029] Der Rührarm 7 ist im untersten Bereich 21 des Wirbelschichtreaktors 6 angeordnet.
Die Austrittsöffnungen 20 sind im wesentlichen nach unten mit einer Richtungskomponente
entgegen der Drehrichtung des Rührarmes ausgerichtet. Darüber hinaus befinden sich
als Reinigungsschar ausgebildete Mittel 22 zur Feststoffzerteilung am Rührarm 7.
[0030] Das als Trennwand ausgebildete Mittel 8 zum Zurückhalten von Schüttgutpartikeln ist
quer zur allgemeinen Wanderrichtung der Feststoffpartikel der Wirbelschicht 23 im
Wirbelschichtreaktor 6 ausgerichtet und läßt in dessen untersten Bereich 21 eine Durchbrechung
24 für den Rührarm 7 und den Schüttgutdurchtritt frei sowie im obersten Bereich 25
des Wirbelschichtreaktors 6 eine Durchbrechung 26 für Gasdurchtritt.
[0031] Durch die besondere Anordnung des Wärmetauschers 9 im Wirbelschichtreaktor 6 in bezug
auf das Mittel 8 und die Einspeiseeinrichtung 17 wird der Wärmeaustausch mit frisch
aufgegebenen, zu behandelnden Schüttgutpartikeln besonders intensiv gestaltet.
[0032] In Fig. 2 ist der Wirbelschichtreaktor 6 rund ausgeführt und die Rühreinrichtung
18 wie in Fig. 1 ausgebildet. Die Einspeisestelle 27 und die Austragsstelle 28 für
das Schüttgut sind in bezug auf den Umfang des Wirbelschichtreaktors 6 dicht beieinander
angeordnet. Zwischen ihnen erstreckt sich von der Reaktorwand bis zum Rührerschaft
19 hin ein als Trennwand ausgebildetes Mittel 8 zum Zurückhalten von Feststoffpartikeln,
welches, ebenso wie in Fig. 1, Durchbrechungen 26 und 24 freiläßt. Dadurch ergibt
sich innerhalb des Wirbelschichtreaktors eine allgemeine Transportrichtung der Schüttgutpartikel,
etwa in der Drehrichtung 29 des Rührarmes 7. In radialer Richtung sind in die Wirbelschicht
mehrere Wärmetauscher 9 eingetaucht, die eine Fläche in axialer Richtung des Wirbelschichtreaktors
aufspannen und Engstellen 30 für den Schüttgutdurchtritt freilassen; durch diese Gestaltung
dienen die Wärmetauscher ebenfalls als Mittel zum Zurückhalten von Schüttgutpartikeln
und es gibt sich durch die besondere Anordnung gleichzeitig ein kaskadenförmiger Aufbau
des Wirbelschichtreaktors 6. Damit haben die so gestalteten Wärmetauscher in allgemeinster
Form einen lamellenförmigen Aufbau.
[0033] In Fig. 3 ist in Abwandlung der Figuren 1 und 2 ein länglicher Wirbelschichtreaktor
6 dargestellt, bei dem die Einspeisestelle 27 und die Austragsstelle 28 an den Schmalseiten
angeordnet sind und mehrere, hier zwei, komplette Rühreinrichtungen hintereinander
und getrennt voneinander arbeiten. Die Wärmetauscher 9 sind wie in Fig. 2 ausgebildet
und ermöglichen aufgrund geeigneter Durchbrechungen ein freies Drehen der Rührarme
7, die natürlich (wie auch in Fig. 2) auch in verschiedenen Höhen in bezug auf die
Wirbelschicht - auch mehrere übereinander - angeordnet sein können. Durch die Anordnung
der Wärmetauscher quer zur allgemeinen Wanderrichtung der Schüttgutpartikel - es können
auch weitere Wärmetauscher vorgesehen sein - ist ebenfalls wieder ein kaskadenförmiger
Aufbau des Wirbelschichtreaktors realisiert.
[0034] In Fig. 4 werden weitere Details der Figur 2 verdeutlicht. Dabei erfolgt die Schüttguteinspeisung
mittels einer Förderschnecke 31 und der Austrag mittels einer höhenverstellbaren Überlaufeinrichtung
32.
1. Verfahren zur Wärmebehandlung, insbesondere zum Trocknen, von feinteiligen Schüttgütern
in einer Wirbelschicht, dadurch gekennzeichnet, daß man
a) die zur Wärmebehandlung benötigte Wärmemenge in die Wirbelschicht zumindest teilweise
durch ein Wärmetauschmedium einbringt und
b) das Wirbelgas mittels eines sich in der Wirbelschicht drehenden Rührers dieser
zuführt, wobei das Wirbelgas aus einem Rührarm austritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die benötigte Wärmemenge
zu etwa 1 - 55 % durch das Wirbelgas und zu etwa 50 - 99 % durch das Wärmetauschmedium
bereitstellt.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus
1. einem Wirbelschichtreaktor mit
1.1. einer Einspeiseeinrichtung und einer Austragseinrichtung für das Schüttgut,
1.2. einer Zuführeinrichtung und einer Abführeinrichtung für Wirbelgas sowie
2. einer mit dem Wirbelschichtreaktor verbundenen Wärmequelle, gekennzeichnet durch
3. eine Rühreinrichtung (18) mit
3.1. mindestens einem in die Wirbelschicht (23) eingetauchten, mit der Zuführeinrichtung
für das Wirbelgas verbundenen und mit Austrittsöffnungen (20) für das Wirbelgas versehenen
Rührarm (7) sowie
4. einen in die Wirbelschicht (23) eingetauchten, mit der Wärmequelle (12) verbundenen
Wärmetauscher (9).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührarm (7) im untersten
Bereich (21) des Wirbelschichtreaktors (6) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen
(20) im wesentlichen nach unten gerichtet sind.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittsöffnungen (20) eine Richtungskomponente entgegen der Drehrichtung
(29) des Rührarmes (7) aufweisen.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch
Mittel (22) zur Feststoffzerteilung am Rührarm (7).
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch
in die Wirbelschicht (23) eingetauchte Mittel (8) zum Zurückhalten der Schüttgutpartikel.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (9)
als Mittel zum Zurückhalten der Schüttgutpartikel ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen lamellenförmigen Aufbau
des Wärmetauschers (9).
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einspeisestelle (27) und die Austragsstelle (28) für das Schüttgut sich bei
den höhenmäßigen Extrempositionen der Wirbelschicht (23) befinden.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet durch
eine höhenverstellbare Überlaufeinrichtung (32) für das Schüttgut am Wirbelschichtreaktor
(6).
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 12, gekennzeichnet durch
einen kaskadenförmigen Aufbau des Wirbelschichtreaktors (6).