Verfahren zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes in einer Masse körnigen Materials unter gleichzeitiger Erzeugung systematischer Zirkulationsströmungen in der schwebenden Masse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufrechteraltung des Schwebe ustandes in einer Masse körnigen Materials unter gleichzeitiger Erzeugung systematischer Zirkulationsströmungen in der schwebenden klasse.
Bekanntlieh wird gewöhnlich der Schwebe- zustand in einer Masse körnigen Materials dadurch aufreehterhalten, dass man ein Gas aufwärts durch die Masse strömen lässt. Es ist hierbei in Hinsicht auf die Eigenschaften der zu behandelnden Masse eine gewisse kritische (. asgesehwindigkeit erforderlich.
Es ist jedoch in vielen Fällen erwünscht, bei der schwebenden Behandlung körniger Stoffe mit strömenden Gasen Gasgeschwindig- keiten zu verwenden, die von der erwähnten kritischen Gasgeschwindigkeit erheblich abweichen und etwa sehr gross oder sehr klein sind. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn man eine chemische Reaktion zwisehen dem körnigen Material und dem Gas bezweckt.
Man hat in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, das in den Schwebezustand zu versetzende körnige Material lebhaften Schwingingen auszusetzen, und zwar mittels im Innern eines Gefässes befindlicher schwingender, mechanischer Teile.
Anderseits erzeugt man gelegentlich Zirkulationsströmungen im schwebenden körnigen Material, z. B. in denjenigen Fällen, in denen man eine Mischung körniger Substanzen zu erzielen wünscht, oder in denen ein intensiver Wärmeaustauseh zwischen der schwebenden Masse und der Wand eines Gefässes stattfinden muss. Für diesen Zweck werden üblicherweise rotierende meehanische Teile, z. B. Turborührer, benutzt; auch hat man vorgeschlagen, solche Zirkulationsströmungen zu erzeugen durch Anwendung ört lich verschiedener Geschwindigleiten der zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes vorgesehenen aufströmenden Gase.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes in einer Masse körnigen Materials unter gleichzeitiger Erzeugung systematischer Zirkulationsströmungen in der schwebenden Masse, das dadurch gekeunzeiehnet ist, dass man das zu behandelnde Material in ein Gefäss bringt, von dem wenigstens ein Teil der innern Wandung weder horizontal noch vertikal verläuft, und dass man anschliessend das Gefäss in vertikale, geradlinige Sehwingungen von solcher Frequenz und soleher Amplitude versetzt, dass örtlich in der Masse des körnigen Materials eine relative Bewegung in bezug auf den genannten Teil der innern Wandung entsteht, wobei diese Bewegung eine Richtung besitzt,
die mit der senkrechten Projektion auf den besagten Wandungsteil der nach dem Innern des Gefässes gerichteten Sehwinglmgsampli- tude übereinstimmt.
Amplitude und Frequenz der anzuwendenden Schwingung müssen empirisch festgestellt werden, weil bei der Erzielung des erwünseh- ten Effektes sehr viele veränderliehe Grössen in Frage stehen, z. B. Gesamtmenge, Dichte und Korngrösse des körnigen Materials, Ge zuzieht und Volumen des Gefässes, Beschaffenheit der Oberfläche der Materialteilehen und der Gefässwandung usw.
Zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens dienen die Fig. 12 und 13 der Zeichnungen.
Fig. 12 zeigt in schematischer Darstellung einen senkrechten Schnitt eines mit körnigem Material gefüllten Gefässes 50, bei dem der Wandteil 51 einen schiefen Winkel mit der Vertikalen bildet, und zwar in solcher Weise, dass die nach dem Innern des Gefässes gerich niete Normale dieses Wandteils einen stumpfen Winkel mit der nach oben gerichteten Vertikalen bildet. Eine vertikale geradlinige Schwingung des Gefässes 50 ist zum Beispiel an der Stelle 52 der Wand 51 durch die aufwärts gerichtete Amplitude 53 und die niederwärts gerichtete Amplitude 54 dargestellt.
Bei geeigneter Wahl von Amplitude und Frequenz der Schwingung wird nun in der Nähe der Stelle 52 eine Bewegung des körnigen Materials in bezug auf die Wand 51 wahrnehmbar sein, die mit der Richtung der senkrechten Projektion 55 der nach dem Innern des Gefässes 50 gerichteten Sehwingungsamplitude 54 auf die Wand übereinstimmt. Aus dieser Re lativbewegung resultiert eine Zirkulationsströmung in dem sich jetzt im Schwebezustand befindlichen körnigen Material in der von den Pfeilen 56 angegebenen Richtung.
Das in Fig. 13 ebenfalls im senkrechten Schnitt dargestellte Gefäss 60 weist eine schräge Wand 61 auf, deren nach dem Innern des Gefässes gerichtete Normale einen spitzen Winkel mit der nach oben gerichteten Vertikalen bildet. Bei geeigneter Schwingung dieses Gefässes wird man eine Zirkulationsströmung in der Masse des im Schwebezustand befindlichen körnigen Materials wahrnehmen, deren Richtung den Pfeilen 66 entspricht;
auch hier tritt also in bezug auf die schräge Wand 61 eine Relativbeweglmg des körnigen Materials in einer Richtung auf, die mit der l:ichtunc der senkreehten Projektion 65 der nach dem Innern des Gefässes 60 gerichteten Sehwingtmgsamplitude 64 auf die Wand 61 an der Stelle 62 übereinstimmt. Die abwärts gerichtete Amplitude ist mit 63 bezeichnet.
Die Zirkulationsströmungen in den beiden dargestellten Fällen mit verschiedener Schrägstellung der Wände 51 bzw. 61 weisen also entgegengesetzte Richtungen auf.
Die Richtung der Relativbewegung des schwebenden Materials in bezug auf den schrägen Wandteil des schwingenden Gefässes ermöglicht eine klare Abgrenzung des vorliegenden Verfahrens von den bekannten Verfahren, bei denen körnige Stoffe enthaltende Gefässe zwecks Behandlung dieser Stoffe in schwingende Bewegung versetzt werden, z. B. schwingende Förderrinnen oder Kugelmühlen.
Vorzugsweise hat die innere Wandung des bei dem erfindungsgemässen Verfahren zu benutzenden Gefässes eine rotaüonssymmetrisehe Form und ist mit der Symmetrieachse in senkrechter Richtung angeordnet. In der Weise erhält man ein Gefäss, bei dem der grösste Teil der Innenwandung weder horizontal noch vertikal verläuft. Bei vertikaler Schwingung dieses Gefässes werden eine Mannigfaltigkeit on Zirkulationsströmungen entstehen, welche Strömungen sich im Innern der schwebenden Masse begegnen, so dass eine intensive syste- maische Umwälzung der schwebenden Masse erzielt wird.
Die Mittel zur Erzeugimg der vertikalen Schwingung können verschiedener Art sein.
Man kann zum Beispiel einen elektromagnetischen Vibrator anwenden.
Die Fig. 1 bis 7 der Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführancen von Gefässen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die Fig. 8 bis 11 zeigen einige Vorrichtungen für an sich bekannte Zwecke, bei denen die Erfindung Anwendung findet.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Gefäss 1 von gerader konischer Form, die mit der Sym metrieachse in senkrechter Richtung und mit nach unten gerichteter Spitze aufgestellt ist.
AN'enn das Gefäss 1 wie oben beschrieben in geradlinige vertikale Schwingung gemäss den Pfeilen 3 versetzt wird, gerät die darin befindliebe Masse körnigen Materials 2 in den Schwebezustand unter gleichzeitiger Bildung einer allseitigen Zirkulationsströmung gemäss den Pfeilen 4, das heisst die Masse strömt auf wärts im äussern Teil und abwärts in dem mittleren Teil des Gefässes. Es wird hier also eine Zlannigfaltigkeit von Zirkulationsströ iflungen der in Fig. 12 dargestellten Art erreicht.
Fig. 2 zeigt ein konisches Gefäss 5 mit flaehem Boden und nach oben gerichteter Spitze.
Vertikale Schwingung nach den Pfeilen 7 bewirkt den Schwebezustand des körnigen Ma lerials 6 und Zirkulation der schwebenden klasse gemäss den Pfeilen 8. Ilier hat man mit einer Mannigfaltigkeit von Zirkulationsströ- nunfren nach Fig. 13 zu tun.
Fig. 3 bzw. 4 zeigt ein konisches Gefäss 9 bzw. 14, wie in Fig. 1 bzw. 2 dargestellt, das mit einem zusätzlichen konischen Wandteil 10 bzw. 1 5 ausgestattet ist, dessen senkrechter Äxialsehnitt demjenigen der Wand des Gefusses 9 bzw. 14 gleichförmig ist und welcher Wandteil koaxial mit dem Gefäss verbunden ist. Wie aus den Figuren ersichtlich, wird die Zirkulationsströmung gemäss den Pfeilen 12 bzw. 18 in der körnigen Masse 11 bzw. 16 bei Schwingung des Gefässes nach den Pfeilen 13 bzw. 17 von den mitschwingenden Wandteilen 10 bzw. 15 noch verstärkt.
Fig. 5 zeigt im Querschnitt ein rechtwink eines Gefäss 19 mit schräger Wand 20. Bei geeigneter vertikaler Schwingung des Gefässes wird das körnige Material 21 in den Schwebezustand versetzt, und es entsteht in der schwe benden Masse eine Zirkulationsströmung ge mäss den Pfeilen.
Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines kugelförmigen Gefässes. Die Pfeile deuten die Mannigfaltigkeit von Zirkulationsströmungen an, die mittels vertikaler Schwingung des Gefässes in einer darin enthaltenen Masse körnigen Materials entsteht.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein das Gefäss bildendes System von zwei koaxialen Rohren 22 und 23. Der Raum zwischen diesen Rohren ist zum Teil mit einem körnigen Material 24 gefüllt. Wird dieses System in vertikale Schwingung versetzt, so wird das körnige Gut in dem Rohr in Zirkulation gebracht, deren Richtung wiederum von den Pfeilen bezeichnet ist. Dieses System eignet sich besonders zur Wärmeübertragung vom innern Rohr 23 nach dem äussern Rohr 22.
Die in Fig. 8 schematisch dargestellte Vorrichtung ist für die schwebende Behandlung eines körnigen Materials mit einem strömenden Gas bei niedrigen Gasgesehwindigkeiten geeignet.
Ein konisches Gefäss 25 mit damit verbundenem, innerem konischem Wandteil 26 (vgl.
Fig. 3) ist für den besagten Zweck mit einem Zufuhrrohr 27 und einem Abfuhrrohr 28 für das Gas ausgestattet. Wenn in dem Gefäss 25 eine schwebende Masse körnigen Materials aufrechterhalten wird, kann man das Gas durch den obern Teil der schwebenden Masse fiihren. Der intensiven Zirkulation des körnigen Materials zufolge (s. Pfeile) wird ein sehr guter Kontakt zwischen dem Gas und der ganzen Masse erzielt.
Die in Fig. 9 dargestellte Vorrichtung ist ebenfalls für die schwebende Behandlung eines körnigen Materials mit einem Gas vorgesehen, jedoch eignet sie sich besonders für die Behandlung bei mittleren Gasgeschwindigkeiten.
Ein konisches Gefäss 33 mit innerem koni seliem Wandteil 36 (vgl. Fig. 4) ist für den besagten Zweck mit Mitteln 34 und 35 zur Gaszufuhr und einem G, < Gasabfuhrrohr 37 ausgestattet. Der Gasgeschwindigkeit ist, in Hinsicht auf die Möglichkeit des Mitreissens des körnigen Materials, eine obere Grenze gesetzt.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Vorriehtung, in der sehr hohe Geschwindigkeiten bei der Zufuhr des Gases möglich sind, ohne dass die Gefahr vorliegt, dass das körnige Material mitgerissen wird, wobei trotzdem eine gute Berührung zwischen dem Material und dem Gas gewährleistet ist. Das Gefäss 38 ist als ein gewöhnlicher Staubzyklon ausgebildet. Im kegelförmigen untern Teil 39 wird das körnige Material durch vertikale Schwingung in den Schwebezustand versetzt unter Bildung einer Zirkulation, deren Richtung durch Pfeile bezeichnet ist. Bläst man jetzt durch die Tangentialzuleitung 41 ein Gas in den obern Teil 40 des Gefässes, in welchem Teil eine Zentral abfuhrleitimg 42 vorgesehen ist, so wird das Gas in diesem obern Teil in eine schnelle Zyklonströmung versetzt.
Etwa mitgeführte Teil chen werden weggeschleudert, ehe das Gas die zentrale Abfuhrleitung 42 erreichen kann.
Weil sieh das körnige Gut in einem Kreislauf befindet, wird die Oberfläche, an der das Gas vorübergeht, ständig erneuert.
Zum kontinuierlichen Mischen körniger Feststoffe kann zum Beispiel eine Vorrichtung, wie sie Fig. 11 schematisch im Axialschnitt zeigt, dienen. Die körnigen Feststoffe werden durch die Leitungen 43 bzw. 44 herangeführt und strömen durch den Trichter 4. in eine Schwebeschicht, die durch senkrechte Schwingung des Gefässes 46 aufrechterhalten wird. Infolge der schnellen Zirkulation, deren Richtung durch die Pfeile bezeichnet ist, findet eine eingehende Mischung statt. Die ge mischten Stoffe werden durch die Leitung 47 abgeführt.
Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht in diesem Fall die Behandlung körniger Materialien von sehr ver sc.hiedener Teilchengrösse und verschiedenem spezifischem Gewicht, während bei den bekannten Verfahren, bei denen zur Aufrechterhaltung des Schwebezustandes ein strömendes Gas verwendet wird, bei dergleichen Materialien leicht eine Entmisehung auftritt.
Beispiel 1
In ein konisches Gefäss, wie in Fig. 1 dargestellt, das sieh aus einer Glaswand mit eiserner Umhüllung und einem spitzen Winkel von 400 zusammensetzt und dessen Fassungsvermögen 3 Liter beträgt, wurde 3,5 kg trockener Sand (Teilehengrösse 300-500 M) eingefüllt.
Anschliessend wurde das Gefäss einer vertikalen geradlinigen Schwingung mit einer Fre quenz von 100 H und einer Amplitude von 1,5 mm ausgesetzt.
Die Sandmasse wurde in den Schwebe- zustand versetzt, und man erzielte eine intensive Zirkulation gemäss den Pfeilen 4 in Fig. I.
Zur Erzeugung der Schwingung des Gefässes benutzte man einen elektromagnetischen Vibrator von 150 W.
Beispiel
In ein konisches Messinggefäss, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem Fassungsvermögen von 450 cms und einem spitzen Winkel von 62O wurde 0,53 kg Magnesiumoxyd (Teilchengrösse 1-2 mm) eingefüllt.
Anschliessend wurde eine Azetylen-Sauerstoffflamme auf den mittleren Teil der Oberfläche der Magnesiumoxydmasse gerichtet; es entstand dabei eine lebhafte Weissglut des erhitzten Masscnteils.
Das Gefäss wurde nun, während die Erhitzung fortgesetzt wurde, in vertikale Schwingung versetzt (Frequenz 33 H, Amplitude 1,1 mm). Innerhalb von zwei Sekunden änderte sich die Weissglut des erhitzten Teils der Magnesiumoxydmasse in eine milde Rotglut. Aus dieser Erscheinung geht klar hervor, dass in der zirkulierenden Schwebeschicht des Magnesiumoxyds ein intensiver Wärmeaustausch stattfindet.