Verfahren und Vorrichtung zur Wirbelbett-Beschichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wirbelbell-Beschichtung von Festkörperteilchen, insbesondere nuklearen Brennstoffteilchen, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
In den letzten Jahren ist ein starkes Interesse an der Verwendung von beschichteten Kernbrennstoffteilchen in Kernreaktoren entstanden. In erster Linie kommen für die Beschichtung Verfahren und Vorrichtungen zur pyrolytischen Ablagerung, z. B. von Kohlenstoff auf den Brennstoffteilchen, wie Oxyd- und Carbidbrennstoffteilchen, in Frage. Im allgemeinen werden zu diesem Zweck Wirbelbett-Einrichtungen als Mittel zum innigen Mischen der Brennstoffteilchen mit einem zersetzbaren kohlenstoffhaltigen Gas verwendet.
Wenn auch schon einige Erfolge in der routinemäsc sigen Aufbringung vieler Typen von einschichtigen und mehrschichtigen Überzügen auf eine Anzahl verschiedener Arten von Brennstoffteilchen erzielt worden sind, so wurden diese doch nur in Vorrichtungen von Modellgrösse durchgeführt. In letzter Zeit ist nun ein lebhaftes Interesse für Wirbelbettbeschichter aufgetre- ten, mit denen routinemässig Brennstoffteilchen in einer Menge von ein oder mehreren Kilogramm be handelt werden können. Ferner besteht auch Interesse an beschichteten Brennstoffteilchen mit grösserem Durchmesser, wie z. B. Teilchen mit Durchmessern von 1000 Mikron, für die Verwendung in Reaktoren.
Da die dafür erforderlichen Beschichter Wirbelsäulen mit grösserem Durchmesser und grössere Bettiefen haben müssen, ergeben sich gewisse Konstruktionsprobleme in der Wirbelschicheechnik für Idie praktisch in Betracht kommenden Bettvolumen.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wirbelbettbeschichtung zu finden und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die möglichst unabhängig von Veränderungen der Betthöhe und des Bettvolumens während dem Beschichten sind, insbesondere für die Beschichtung von nuklearen Brennstoffteilchen mit undurchlässigen Schichtungen, wie z. B. pyrolytischem Kohlenstoff.
Ferner sollte ein Wirbelbettbeschichter geschaffen werden, der grössere Beschickungen als die bisherigen Beschichter aufnehmen kann und höhere Mischungswirksamkeit aufweist und im wesentlichen keine Beine trächtigung der sphärischen Gestalt der Teilchen bewirkt, auch dann, wenn die Teilchen in ihren Grössen und/oder Dichte stark unterschiedlich sind.
Erfindungsgemäss wird das bei einem Verfahren zur Wirbelbettbeschichtung von Festkörperteilchen dadurch erreicht, dass eine axiale Beschichtungszone in einem Wirbelbett-Beschichter erzeugt wird und um diese Beschichtungszone eine mantelförmige Lagerungszone geschaffen wird, die am oberen und unteren Ende mit der Beschichtungszone gasdurchlässig verbunden ist, und dass die Festkörperteilchen in die Be schlichtungszone eingeführt werden und Strömungsbedingungen innerhalb des Wirbelbett-Beschichters geschaffen werden,
um die Festkörperteilchen zunächst nach oben durch die axiale Beschichtungszone hindurch und am oberen Ende derselben springbrunrren- artig nach aussen in die mantelförmige Lagerungszone und dort abwärts und am unteren Ende derselben nach innen zurück in die axiale Beschichtungszone in Kreislauf zu setzen, und gleichzeitig aufwärts gerichtete Strömungen durch die mantelförmige Lagerungszone zu verhindern.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch einen zylindrischen, langgestreckten in Vertikallage aufgestellten, als Behälter für ein Festkörperbett dienenden Kessel mit einem mindestens auf seiner Innenseite verjüngten unteren Abschnitt, einem vertikal angeordneten Einsatz mit offenen Enden, der konzentrisch zu dem Kessel in dessen unterem Teil angebracht ist, und sich nach unten bis in die konische Region des verjüngten unteren Abschnittes erstreckt und unmittelbar über der Wand des verjüngten Abschnittes endet, so dass ein Ringspalt zwischen dieser Wand einerseits und dem unteren Ende des Einsatzes andererseits offenbleibt,
einen zentral angeordneten Gaseiniass am Boden des besagten unteren Abschnittes für den Durchfluss eines kontinuierlichen Gasstromes aufwärts in das Innere des besagten unteren Teiles und durch den konzentrisch angeordneten Einsatz hin durch, welcher Gasstrom gleichzeitig mit der Wirbel betterzeugung und dem Mitreissen von Teilchen aus dem Ringspalt eine Teilchenförderung in Form eines vertikalen Aufwärtsstromes durch den Einsatz sowie eines Abwärtsrückstromes entlang dem den Einsatz umgebenden und aussen von der Kesselinnenwand begrenzten Mantelraum verursacht, eine im oberen Teil des Kessels angebrachte Gasabzugsvorrichtung zur Entfernung von Abgasen,
und eine aussen am Kessel aufgebrachte Heizvorrichtung zur Erhitzung des Kesselinnern auf eine Zersetzungstemperatur.
Anhand der nach, stehenden Figuren islt die Erfindung im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine mehrfach unterbrochene und teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
Fig. 2 bis 4 verschiedene andere Ausführungsformen des Einsatzes 3 in Fig. 1, sämtliche im Schnitt,
Fig. 5 einen Schnitt durch die Vorrichtung in Fig. 1 in der Schnittebene V-V.
Fig. 6 ein Diagramm, das die Kreislaufleistung in kg/min über dem Gasstrom in 1 pro Minute in einem transparenten Modell mit 12,5 cm innerem Durchmesser unter Verwendung von Eisenschrot als Festkörperteilchen und Luft als Strömungsmedium bei Zimmertemperatur zeigt,
Fig. 7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Förderleistung in kg/min. über dem Gasstrom in 1 pro Minute bei verschiedenen Höhen zwischen dem Boden des Einsatzes 3 und der Gasdüse 6 zeigt, unter Verwendung von Eisenschrot als Festkörperteilchen und Luft als Strömungsmedium bei Zimmertemperatur,
Fig. 8 eine andere Ausbildungsform des unteren konischen Abschnittes der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
Es hat sich ergeben, dass mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung durchgeführte Beschichtung im wesentlichen von Wider Betthöhe rund dem Bettvolumen der Teilchenbeschickung unabhängig sind. Der vorliegende Wirbelbettbeschichter ist besonF ders nützlich zur Beschichtung von bewegten Teilchen eines nuklearen Brennstofes von einem durchschnitt- lichen Durchmesser von 200-1000 Mikron mit pyrolytischem Kohlenstoff durch die Zersetzung von Kohlenwasserstoffgasen, wie z. B. Methan bei Temperaturen über 1200 C.
Durch die Anwendung g des Einsatzes 3 bzw. eines entsprechenden zentralen Leitungsrohres, das eine Mitreisszone schafft, ist es möglich, mit Wirbelbettbeschichtern der vorliegenden Art grössere Bettvolumen zu behandeln als es bei dem bisherigen Wirbelbettbeschichter möglich war, und zwar Volumina, die für eine routinemässige Beschichtung von Kilogrammquantitäten benötigt würden. Zusätzlich ist die Beschichtungszone begrenzter und die beförderten Mengen werden bei der Anwendung g des Einsatzes 3 bzw. des zentralen Leitungsrohres erhöht. Sodann ergibt sich auf Grund des durch den Einsatz 3 verursach- ten Kreislaufes eine erzwungene Beförderung auch dann, wenn sich die Teilchen in bezug auf Grösse und Dichte stark unterscheiden.
Die Bezeichnung mitgerissenes Wirbelbett , so wie sie hier in der Folge angewandt wird, umschreibt einen Zweiregioneniifteschich- ter, in dem das Mitreissen und das Beschichten innerhalb der zentralen Region stattfindet und bei dem eine Zwischenspeicherung vor der Rückführung im Kreislauf in diese zentrale Region in einer ringförmig um die zentrale Region herumliegenden Region erfolgt.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelbettbeschichters nach der Erfindung gezeigt, der aus einem zylindrischen Graphitkessel 1 mit einem sich nach innen verjüngenden unteren Abschnitt 2 besteht.
Der Kessel kann in einer Art hohlzylindrischer Säule eine bestimmte Menge von Festkörperteilchen aufnehmen. Ein sich vertikal erstreckender Einsatz 3 mit offenen Enden ist innerhalb des besagten Kessels konzentrisch angebracht und an demselben durch einen Ringträger 4 befestigt, der drei Fachwerkstrukturen 5, 5' und 5"besitzt (wie in Fig. 5 gezeigt). Der Einsatz 3 samt dem Ringträger 4 können auf irgendeine technisch übliche Art im Kessel angebracht sein; so können z. B. Ringfräger und Wände des Kessels 1 ein Stück sein oder der Ringträger kann mittels einer Reibungsbefesügung an den Wänden des Kessels 1 festgemacht sein. Auch kann der Einsatz zusätzlich so ausgebildet sein, dass er in bezug auf den Ringträger auf und ab bewegt werden kann, z.
B. mit Hilfe eines Gewindes an seiner äusseren Wand (nicht gezeigt) und einer Stell schraubenmutter (nicht gezeigt) für dieses.
Die Anordnung, bei welcher der Ring fest am Kessel 1 angebracht (d. h. bei der Ring und Kesselwände aus einem Stück bestehen) und mit einem losen Einsatz versehen ist, hat gewisse Vorteile, weil in diesem Falle der Einsatz nach der Beendigung der Beschichtungsphase zum Zweck einer eventuell notwendigen Wartung aus dem Beschichter herausgenommen werden kann.
Der Einsatz 3 unterteilt den Beschichter in eine zentrale Region 6 und eine diese zentrale Region umschliessende, zum Teil von dem verjüngten Abschnitt 2 und zum Teil von einem ringförmigen Abschnitt 7 gebildete Region. An seinem oberen Ende ist der Kessel 1 auf eine übliche Art abgeschlossen, und mit einer Gasableitung 8 für den Abzug von Prozessabgasen versehen. Die Prozessabgase bestehen zur Hauptsache aus Wasserstoff und Trägergas. Eine Gaseinlassleitung 9, mit einer Gasdüse 10 ist am Bodenteil des verjüngten Abschnittes 2 für die Erzeugung von Wirbeln sowie der Mitreisswirkung angebracht.
Der : Einsatz 3 besteht t vorzugsweise aus einem zylindrischen Graphitrohr, das an seinem unteren Ende eine Messerkante aufweist und im Rohrinnern vom Bodenende nach oben zu aufgeweitet ist. Die innere Rohrwand kann n z. B. kegelmantelförmig sein, wobei der Kegel einen Spitzenwinkel von etwa 4" haben kann. Andere mögliche Ausführungsformen des Einsatzes sind in den Figuren 2 bis 4 gezeigt. In Fig. 2 ist ein Einsatz aus einem zylindrischen, geradewandigen Rohr 11 und in Fig. 3 ein Einsatz aus einem aussen zylindrischen und innen in einem unteren Abschnitt 13 konischien und einem oberen Abschnitt 14 zylindrischen Rohr 12 gezeigt. Der Einsatz in Fig. 3 ist in der Folge als einfach verjüngter Einsatz bezeichnet.
In Fig. 4 ist ein Rohr 15 mit zylindrischer Aussenwand gezeigt, dessen Innenwand sich von unten nach oben zunächst in einem unteren Abschnitt 16 konisch verjüngt und sich anschliessend in einem oberen Abschnitt 17 konisch erweitert. Der Einsatz in Fig. 4 ist in der Folge als doppelt verjüngter Einsatz bezeichnet.
In Fig. 8 ist eine Modifikation des unteren verjüngten Teiles der Fig. 1 gezeigt. Wie ersichtlich besteht der untere Teil aus einem ersten konischen Teil 18 und einem zweiten gekrümmten Teil 19, welcher an der Gaszufuhrdüse endet. Diese Anordnung g bietet im Ver- gleich zu der vollständig konischen Ausbildung des unteren verjüngten Teils in Fig. 1 bestimmte Vorteile, weil dadurch für einen gegebenen inneren Durchmesser des Einsatzes ein breiterer Spalt zwischen dem Einsatz und der Gasdüse und gleichzeitig auch eine grössere Teilchenzufuhrmenge ermöglicht wird und zudem verhindert wird, dass sich Kohlenwasserstoffgas an den Wänden des Beschichters ansammelt.
In der Region 6 werden die Teilchen im einströmen den Gas mitgerissen und dort ist auch die primäre Beschichtungsregion. In dér mantelförmigen Region 7 sammeln sich die Teilchen an und werden infolge des Bettgewichtes im konischen Abschnitt des Kessels 1 unten am Boden des Einsatzes 3 wieder dem Gasstrom zugeführt. Die Teilchen werden also mit dem Gas, das durch den Einsatz aufwärts strömt, mitgerissen, dann am oberen Ende des Einsatzes in die Region 7 überführt und auf der Oberfläche des gepackten Teilchenbettes in der Region 7 abgelagert, um anschliessend wieder in den Kreislauf durch die Primäre Beschichtungsregion gebracht zu werden.
Bei einer solchen Teilchenförderung können - da die Beschichtungsparameter, wie die minimale Gasgeschwindigkeit zum Mitreissen und/oder zur Wirbelerzeugung, die Teilchen, grösse und die Dichte auf einen relativ begrenzten Raum bezogen sind - grössere Bettiefen und Teilchenvolumina beim praktischen Wirbelbetrieb angewendet werden, als dies mit den herkömmlichen Wirbelbettbeschichtern möglich war.
Wenn auch genaue Dimensionen für den vorliegenden Wirbelbett-Beschichter nicht kritisch sind, so werden für dessen Aufbau doch eine Anzahl von Faktoren zu berücksichtigen sein, wie z. B. Teilchengrösse und Dichte und minimale Gasgeschwindigkeit des Beschichtungsgases. Einige Dimensionen einer bevorzugten Ausführungsform können für die praktische Anwendung der Erfindung von Nutzen sein. In einer Versuchsausführung hat das Mitreisswirbelbett eine Gesamthöhe von 37,5 cm mit einem unteren verjüngten Abschnitt von 14 cm Länge.
Der konische Abschnitt hat einen Kegelspitzwinkel von 450 oder in der modifizierten Form in Fig. 8 einen Kegelspitzenwinkel von 350 und einen gekrümmten Teil der im Abstand von etwa 3,8 cm von der Gaseinlassöffnung anfängt und an der Gaseinlassöffnung endet. Der innere Durchmesser der Säule beträgt 12,5 cm, der äussere Durchmesser des Einsatzes 3,8 cm und der innere Durchmesser 2, 81 cm desselben am unteren Ende und 3,44 cm am oberen Ende entsprechend einer vom Boden bis zum Kopf des Einsatzes reichenden Verjüngung Ider Innenwand von 20 gegen die Aussenwand des Einsatzes.
Ein bevorzugter Düsendurchmesser ist etwa 2,25 mm. Der Abstand zwischen dem unteren Ende des Einsatzes und der Gasdüse beträgt etwa 5 cm.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfah rens werden Festsubstanzteilchen wie von Sol zu Gel umgewandelte Teilchen von ThO2 oder UO2 in den mantelförmigen Raum 7 gefüllt, bis im wesentlichen dessen unterer verjüngter Teil sowie dessen zylindri- scher Teil ein Stück weit aufgefüllt ist. Dann wird das Teilchenbett auf B eschichtungstemperatur gebracht, die von dem angewandten Beschichtungsgas und der speziell gewünschten Beschichtung abhängig ist und über einen weiten Temperaturbereich schwanken kann.
Während d dieser Aufheizzeit wird das Teilchenbett vor- zugsweise mit einem inerten Gas, wie Helium, in Bewegung gehalten, wobei geeignete Bedingungen für das Mitreissen der Teilchen geschaffen werden. Nachdem das Teilchenbett die Beschichtungstemperatur erreicht hat, die notwendigerweise höher liegt als die Zersetzungstemperatur des zu verwendenden Kohlenwasserstoffgases, wird dem Beschichter ein kontinuierlicher Strom des zu verwendenden Kohienwasserstoffgases, zum Beispiel mit einem geeigneten Trägergas verdünF tes Methan, durch die Gaseinlassdüse und von dort aufwärts in das Innere des Beschichters zugeführt und dadurch die Beschichtung ausgelöst.
Das Druckgefälle zwischen dem oberen und dem unteren (dem unteren Ende des Einsatzes gegenüberliegenden) Ende des Teilchenbettes ist entscheidend für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Für den richtig eingestellten Betrieb muss der Druckabfall (Ap) über den Bereich vom Kopf zum Fuss des Teilchenbettes gleich Null oder negativ sein.
Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird im wesentlichen das gesamte Beschiclitungsgas zur Wirbelbildung und Beschichtung aufwärts durch den Einsatz strömen.
Wenn der Druckabfall nicht Null oder negativ ist, umfliesst ein Teil des Beschichtungsgases den Einsatzkanal und diffundiert aufwärts durch den mit Teilchen angefüllten Bereich der den Einsatz mantelförmig umgibt. Wenn dies geschieht, kann ein Beschichten dieser Teilchen stattfinden, was ein Zusammenkleben oder auch ein ungleichmässiges Beschichten derselben zur Folge hat.
Daraus ist ersichtlich, dass die Beschichtung nur dann erfolgreich verläuft, wenn wenigens annähernd das gesamte Beschichtungsgas aufwärts durch den Einsatz fliesst und die Beschichtung hauptsächlich innerhalb des Einsatzes stattfindet. Die bei einem Durchgang durch den Einsatz beschichteten Teilchen werden über das obere Ende des Einsatzes nach aussen geleitet und in der mantelförmigen Region 7 auf der Oberfläche des gepackten Teilchenbettes abgelagert.
Mit dem sich senkenden Teilchenbett wandern sie nach unten und werden dann von unten wieder in den Eii > satz eingeführt und in einem nächsten Durchgang wieder durch die Beschichtungszone geleitet, und das Ganze wiederholt sich im Kreislauf mehrmals.
Es ist verständlich, dass das Verhältnis zwischen dem Druckabfall und den übrigen Prozessvariablen je nach dem Fassungsvermögen und Typus des Beschichters schwanken wird. So ist zum Beispiel die Höhe zwschen dem unteren Ende des Einsatzes und der Gasdüse im allgemeinen direkt proportional zu Parametern, wie der Masse, der Gasflussmenge, der Düsen ausflussgeschwindigkeit des Gases, dem inneren Durch messer des Einsatzes, der Viskosität und Dichte des Gases und der Gastemperatur, und umgekehrt proportional der Dichte und dem Durchmesser der Teilchen.
Wenn zum Beispiel der vorstehend d als vorteilhafte Ausführungsform beschriebene Beschichter von 12,5 cm innerem Durchmesser mit einer Ladung von 3000 g Sol-Gel ThO2 Teilchen von einem Teilchendurchmesser von 250 bis 300 Mikron betrieben wird, lässt sich eine erfolgreiche Behandlung mit einer Bett wand-Temperatur von 17500 C, einem Methandurchfluss von 40 Liter pro Minute, einem Düsendurchmesser von 2,5 mm und einer Höhe zwischen dem unteren Ende des Einsatzes und der Gasdüse von etwa 5 cm erzielen.
Bei einer solchen Behandlung hatte die Beschichtungphase eine Dauer von ungefähr einer Stunde und es ergab sich eine auf den Teilchen niedergeschlagene Beschichtung von 40 Mikron Schichtdicke. Nach der Beendigung der Beschichtungsphase wurde der Einsatz entfernt, und eine visuelle Untersuchung desselben ergab, dass seine Aussenseite im wesentlichen frei von jeglichem pyrolytischen Kohlenstoffniederschlag war. Wäre ein solcher Niederschlag vorhanden gewesen, dann hätte ein Umfliessen des Beschichtungsgases stattgefunden. Da das nicht der Fall war, wurde also mit den genannten Beschichtungsparametern der oben erwähnte kritische Druckabfall zur erfolgreichen Herstellung von pyrolytisch kohlenstoffbeschichteten aus Sol-Gel Umwandlung abstammenden Thoriumdioxydteilchen erhalten.
Die Temperaturen, bei denen die Beschichtung durch Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff auf Teilchen durchgeführt werden können, sind dem Fachs mann bekannt und schwanken über einen weiten Bereich, je nach dem angewandten Kohlenwasserstoffgas und der erwünschten Beschichtungsdicke. Beispiel weise für Methan als Beschichtungsgas haben sich Bettwandtemperaturen von mehr als 14000 C als zweckmässig erwiesen. Im allgemeinen ist bekannt, dass sich für ein gegebenes Kohlenwasserstoffgas in einem gegebenen Beschichter die resultierende die Dichte der Beschichtungen mit der Erhöhung der Zersetzungstemperatur erhöht.
Beispielsweise wurden in einer Vorrichtung nach der Erfindung beschichtete Teilchen mit einer Beschichtungsdichte von 1.88 g/ccm bei Verwendung von Methan als Beschichtungsgas und einer Bettwandtemperatur von 21000 C sowie einem Gasstrom aus 15 Liter Methan pro Minute und 30 Liter Argon pro Minute erhalten.
Da bei der Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens ein Einsatz verwendet wird, ist jedoch die tatsächliche Zersetzungstemperatur innerhalb des Einsatzes tiefer als die während der Beschich tung gemessene Wandtemperatur, und ist ferner auch von der Gaszusammensetzung und dem Gasdurchfluss abhängig.
Im folgenden sind einige quantitative Beispiele für das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung aufgeführt.
Beispiel 1 beschreibt das Beschichten von Sol-Gel Thoriumdioxydteilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff unter Verwendung von Methan als Beschichtungsgas, und im
Beispiel 2 sind Angaben über die Strömungsverteilung im Modell unter Verwendung von Eisenschrott für verschiedene strukturelle Modifikationen des Apparates gemacht.
Beispiel 1
Es wurde ein Wirbelbett-Beschichter wie in Fig. 1 gezeigt konstruiert und geprüft. Die äussere Säule wurde aus einem 37,5 cm langen Graphitrohr mit 12,5 cm innerem Durchmesser hergestallt, an welchem ein unterer 13,8 cm hoher, im wesentlichen konischer Teil mit einem Kegelspitzenwinkel von 35 wie in Fig. 8 gezeigt angebracht wurde. Am Scheitelpunkt des konischen Teiles wurde eine abnehmbare Gaseinlassdüse angebracht. Der Einsatz wurde aus einem 18,2 cm langen Graphitrohr mit 3,8 cm äusserem Durchmesser hergestellt und mit einer sich nach oben erweiternden Öffnung mit einem Innendurchmesser von 2,82 cm am Boden und von 3,44 cm am oberen Ende versehen (innere Verjüngung 20).
Das untere Ende des Einsatzes wurde zur Schaffung einer scharfen Kante auf einen Winkel von 300 abgeschrägt. Dieser Einsatz wurde konzentrisch innerhalb der äusseren Säule in einem dreiarmigen Halter (Fig. 5) derart eingesetzt, dass das untere Ende des Einsatzes etwa 5 cm oberhalb der Gaszuflussdüse zu liegen kam. Die Vor richtung wurde in einen elektrisch beheizten Ofen ge- stellt und es wurden Leitungen zur Zufuhr von inertem und Beschichtungsgas zur Düse und ein Abzug aus dem Oberteil der äusseren Säule vorgesehen.
Mit dieser Vorrichtung wurden eine Reihe von Teilchenbeschichtungsversuchen gemcht zur Unitersuchung der Einflüsse des Gewichtes der Anfangsladung, des Gasflusses, der Temperatur und der Grösse der Gaszufuhrdüse auf die pyrolytische Kohlenstoffbeschichtungsqualität, wobei jeweils Dicke und Dichte der Beschichtung gemessen wurden. Die gemessene und angegebene Temperatur ist diejenige der Wand der äusseren Säule. Sie wurde mit einem optischen Pyrometer gemessen. Die behandelten Teilchen waren über Sol-Gel-Bildung erhaltene ThO2-Teilchen, die in einigen Fällen, wie weiter unten vermerkt, mit einer An fangs-Kohlenstoffbeschichtung versehen waren. Als Beschichtungsgas wurde Methan und als inertes Trägergas bei den meisten Versuchen Argon verwendet.
Die Teilchen hatten zu Anfang eine Grösse von 250 bis 300 Mikron, mit Ausnahme der bereits mit einer Anfangs-Kohienstoffbeschichtung versehenen Teilchen.
Die Teilchen wurden in den Wirbelbett-Beschichter eingebracht und erhitzt und dabei durch das inerte Gas umgewälzt, indem sie im Einsatz hochgewirbeit und dadurch in Kreislauf gesetzt wurden. Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht war, wurde das Beschichtungsgas durch die Zuführdüse eingelassen. Die Resultate sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Gasflussmenge l/min. Beschichtung Düsengrösse Ladegewicht Temperatur He Ar CH4 Dicke Dichte g/cm3 Wirkungsgrad in g C % 0.100 2500 1800 - 30 10 69 1.83 0.100 2500 1800 - 30 15 129 1.51 65 0.100 2500 1800 - 25 25 60 1.46 59 0.100 1905 1800 - 20 35 89 1. 51 56
Tabelle 1 (Fortsetzung)
Gasflussmenge Amin.
Beschichtung Düsengrösse Ladegewicht Temperatur He Ar CH4 Dicke Dichte g/cm3 Wirkungsgrad in g C % 0. 100 1000 2100 - 30 15 75a 1.88 73 0.100 1000 2100 - 25 25 62% 1.87 74 0.100 1000 2130 - 20 35 89a 1.50 73 0.080 3000 1745 - 8.4/3b 40 40 1.60 60 0.080 1650 2250 - 10/3b 25 84a 1.62 72 0.080 1650 2240 20 0/3b 25 83a 1.55 73.5 0.089 200 2200 1.5b 10 25 64 1.74 75 a Dicke der Überbeschichtung auf vorher beschichteten Teilchen b Fluss durch die ringförmige Umgebung der zentralen Zuflussdüse
Die so erhaltenen Teilchen waren im allgemeinen gleichmässig beschichtet, was auf eine geeignete Bewegung der Teilchen durch den Beschichter schliessen lässt.
Ferner waren Kolilenstoffablagerungen in dem Beschichter auf die Düsenregion und das Innere des Einsatzes beschränkt. Daraus ergibt sich, dass kein Kohlenwasserstoffgas durch die Region 7 zwischen dem Einsatz und der äusseren Säule und damit an dem Einsatz vorbeigeflossen ist.
Beispiel 2
Ein Wirbelbett-Beschichter-Modell wurde aus durchsichtigem Material konstruiert, zum Studium der Strömungsverteilung von darin befindlichen Teilchen durch Feststellung der Teilchenverteilung als Funktion von Zeit und Gasfluss. Die äussere Säule hatte einen inneren Durchmesser von 12,5 cm und der Bodenkonus leinen Kegelspitzenwinkel von 450. Es wurden verschiedene Düsengrössen, Einsatzgestaltungen, Einsatzabstände und Gas ströme untersucht, wobei Bleischrott, Eisenschrott und Glasperlen zur Nachbildung der zu beschichtenden Teilchen verwendet wurden. Während der ganzen Versuchsdauer wurde der Druck über dem Teilchenbett in der den Einsatz mantelförmig umgebenden Region 7 so geregelt, dass derselbe der Bedingung Ap = 0 entsprach.
Diese Bedingung bot Gewähr dafür, dass kein Gas um den Einsatz herumfloss.
Typische von diesen Versuchen waren diejenigen, bei denen ein einfach verjüngter Einsatz (mit Durch messer am Einlass von 4,25 cm, der sich nach oben konisch bis auf 1,88 cm verringert und anschliessend konstant bleibt) mit einem doppelt verjüngten Einsatz (mit in gleicher Weise sich verringerndem Durchmesser im Einlassbereich einer auschliessenden Durchmesservergrösserung bis auf 2,75 cm) verglichen wurde. Der Abstand vom Einsatz zum Gaseinlass betrug 5 cm und der Durchmesser der Gasdüse war 0,47 cm. Als Wirbelgas wurde Luft verwendet und der Vergleich der Einsätze wurde mit Eisenschrot von drei verschiedenen Teilchengrössen 417-500 , 595-707 und 8331000 durchgeführt.
In allen Fällen ergab sich bei dem der doppelt verjüngten Einsatz #P = 0 bei einer wesentlich geringeren Gasströmung; auch wurde mit der doppelten Verjüngung eine etwas höhere Kreislaufleistung erzielt. Diese Resultate sind in der Fig. 6 graphisch dargestellt. Typisch ist, dass mit den kleinsten der oben angegebenen Teilchengrössen AP =0 mit dem doppelt verjüngten Einsatz bei einer Gasströmung von ungefähr 230 Liter/Minute erreicht wurde, während mit dem einfach verjüngten Einsatz eine Gasströmung von ungefähr 430 Liter/Minute erforderlich war. Beide Einsatztypen ergeben für grössere Teilchen höhere Kreislaufleistungen