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Vorrichtung zum Abscheiden mitgerissener fester Stoffe aus einem Gasstrom
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abscheiden mitgerissener fester Stoffe aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem Strom heisser Gase.
Bei vielen chemischen Prozessen und Vorgängen der Materialbehandlung werden Gasströme erzeugt, welche mitgerissene feste und flüssige Stoffe enthalten, in der Regel in der Form feiner staubförmiger Teilchen. Verschiedene Mittel sind bisher vorgeschlagen worden, um diese mitgerissenen Stoffe zu entfernen. Beispielsweise hat man Staubsammler in der Form von Filtersäcken verwendet, ferner elektrostatische Staubabscheider und schliesslich auch Waschverfahren, bei welchen der feste Teilchen enthaltende Gasstrom mit einer geeigneten Flüssigkeit, welche die mitgerissenen festen Teilchen aufnimmt, besprüht oder gewaschen wird.
Diese verschiedenen Verfahren und Vorrichtungen waren nicht in allen Fällen zufriedenstellend.
Schwierigkeiten ergaben sich häufig aus der Temperatur sowie aus der die Bauteile der Anlage angreifenden Art des Gasstroms und der von demselben mitgerissenen Teilchen.
Beim Raffinieren von Aluminium nach dem sogenannten Subhalogenid-Destillationsverfahren wird das aluminiumhaltige Metall bei einer Temperatur von etwa 1200 C und darüber mit einem heissen Strom gasförmigen Aluminiumtrihalogenids, in der Regel Aluminiumtrichlorids, in Berührung gebracht. Die Reaktion zwischen dem Aluminium des aluminiumhaltigen Metalls und dem gasförmigen Aluminiumtrihalogenid erfolgt unter Bildung gasförmigen Aluminiummonohalogenids, beispielsweise Aluminiummonochlorids. Das resultierende gasförmige Aluminiummonohalogenid, vermischt mit nicht zur Reaktion gekommenem Aluminiumtrihalogenid, wird gekühlt, um die Zersetzung des Aluminiummonohalogenids unter Bildung von metallischem Aluminium und Aluminiumtrihalogenid zu bewirken.
Die Zersetzungsreaktion wird in einem Zersetzungsapparat ausgeführt, in welchem die Temperatur des gasförmigen Aluminiummonohalogenids von etwa 12000C auf etwa 700 - 8000C herabgesetzt wird. Das gasförmige Aluminiumtrihalogenid aus dem Zersetzungsapparat wird aufgefangen und in Berührung mit weiterem alumi- niumhaltigem Metall gebracht, um daraus Aluminiummonohalogenid zu erzeugen.
Es ist nun erwünscht, die aus dem Zersetzungsapparat abziehenden Gase zu behandeln, um irgendwelche mitgerissenen festen Stoffe zu entfernen. Bei Austritt aus dem Zersetzungsapparat bestehen die
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der Zersetzung von Aluminiummonohalogenid, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid und noch weitere Chloride, neben Aluminiumoxyd, Aluminiumcarbid und sonstigen festen Stoffen. Die Temperatur der Gase bei Verlassen des Zersetzungsapparates liegt unter 7000C und über dem Verflüchtigungspunkt von Aluminiumtrichlorid, d. h. die Temperatur bewegt sich beispielsweise in dem Bereich von 250 bis 3500C.
Diese Temperatur der den Zersetzungsapparat verlassenden Gase beeinflusst die Menge sowie den Aggregatzustand der Verunreinigungen.
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Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung zum Abscheiden mitgerissener fester
Stoffe aus einem Gasstrom, bei der ein Bett aus körnigem, festem Filtermaterial durch ein Gefäss sich abwärts bewegt und am Boden desselben ausgetragen wird und die einen Gasauslass nahe dem oberen Ende des Gefässes und ein Gaseinlassrohr zentral innerhalb des Gefässes aufweist, wobei sich die Mündung des ! Gaseinlassrohres unterhalb des Gasauslasses befindet.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gaseinlassrohr vom oberen Ende des Gefässes vertikal abwärts durch den oberen Teil des Bet- tes aus körnigem Filtermaterial erstreckt und darin eine Rühreinrichtung zum Durchmischen des der Mün- dung des Gaseinlassrohres benachbarten körnigen Filtermaterials sowie eine Einrichtung zum Abschaben abgelagerten, mitgeführten Materials von den Seitenwänden des Gaseinlassrohres vorgesehen sind.
Nach einer Ausführungsform sind die Rühreinrichtung zum Durchmischen des der Mündung des Gas- einlassrohres benachbarten körnigen Filtermaterials und die Einrichtung zum Abschaben abgelagerten Ma- terials von den Seitenwänden des Gaseinlassrohres an einer axialen, sich durch das Gaseinlassrohr erstrek- kenden Welle angeordnet.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Einführungseinrichtung für das körnige Filter- material einen ringförmigen Kanal rund um das Gaseinlassrohr aufweisen, wobei sich das untere Ende die- ses Kanals unter der Ebene des Gasauslasskanals befindet.
Gemäss der Erfindung kann ferner das Gefäss aus Koks bestehendes, körniges Füllmaterial enthalten.
Bei Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung im Subhalogenid-Destillationsverfahren werden
Gasströme von verhältnismässig hoher Temperatur und möglicherweise korrodierender Wirkung behandelt.
Die Gase strömen durch das sich abwärts bewegende Filtermaterial in einer Kontaktzone und dieses Fil- termaterial nimmt bei seiner Weiterbewegung aus der Kontaktzone die aus dem Gasstrom aufgenomme- nen feinen Teilchen mit sich.
Da das Gas in die sich abwärts bewegende Masse des Filtermaterials eingeführt wird, strömt es vor- zugsweise zu Beginn abwärts durch diese Masse hindurch und dann aufwärts durch einen oberen ringförmi- gen Teil der Filtermasse hindurch.
An der Stelle, wo das Gas eingeführt wird, hat das Filtermaterial eine Oberfläche in der Form eines konkaven Kegels mit einem Scheitelwinkel, der im wesentlichen gleich dem Böschungswinkel des Filter- materials ist, nämlich etwa 400. Ein mechanischer Rechen bzw. Kratzer wird verwendet, um das gleich- mässige Fliessen des Filtermaterials aus dem unteren Ende einer ringförmigen Beschickungsöffnung zu unterstützen. Ausserdem rührt der mechanische Rechen das Filtermaterial an der Kegelmantelfläche durch, macht frische Flächen der einzelnen Stücke frei und zerstückelt die Klumpen, die sich infolge der Fil- terwirkung des Materials gebildet haben. Ferner wird infolge der Rührwirkung des Rechens die Schicht des
Filtermaterials an der Kegelmantelfläche flacher.
Das bei dem Filtrieren zu verwendende Filtermaterial kann irgendein Stoff sein, welcher sich gegen- über den zu entfernenden Verunreinigungen sowie dem zu behandelnden Gasstrom reaktionsträge verhält oder doch im wesentlichen inert ist. Koks in Körnchenform, wie z. B. geglühter Petrolkoks, ist als festes Filtermaterial besonders gut geeignet, da er verhältnismässig billig, in der Regel leicht zu bekommen und
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andere inerte, vorzugsweise feuerfeste, feste Filtermaterialien verwenden.
Die Teilchengrösse des Filtermaterials richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck. Im Falle der Entfernung von Verunreinigungen aus den aus dem Zersetzungsapparat des Subhalogenid-DestiIlations- verfahrens zum Raffinieren von Aluminium abziehenden Gasen verwendet man vorzugsweise Koks mit einer Korngrösse, welche durch ein Sieb von etwa 4, 8 mm Maschenweite hindurchgeht, aber auf einem Sieb von 1, 2 mm Maschenweite zurückbleibt ; ein solcher Koks hat beispielsweise ein Korn im Bereich von < 4, 8 bis 2,4 mm. Das Filtermaterial darf aber nicht so fein sein, dass es von dem durchströmenden Gas mitgerissen oder aufgewirbelt bzw. fluidisiert wird.
Ebenso ist es wünschenswert, dass die Korngrösse des Filtermaterials so bemessen ist, dass die resultierende Masse gut durchlässig ist und dem hindurchströmenden Gas keinen zu grossen Widerstand entgegensetzt.
Bei der Entfernung fester Stoffe aus den Abgasen des Zersetzungsapparates der Subhalogenid-Destillation zum Raffinieren von Aluminium muss die Korngrösse des in der Filtrierzone verwendeten Filtermaterials so bemessen sein, dass das Druckgefälle infolge des Durchströmens der Gase nicht wesentlich über etwa 10 mm Hg-Säule hinausgeht. Dieses Druckgefälle des Gasstroms, wenn derselbe durch die Filtrierzone in Berührung mit der Masse des Filtermaterials hindurchgeht, darf kein beträchtlicher Teil des gesamten Druckgefälles in der Anlage sein. In den meisten Fällen kann man diese Forderung leicht erfüllen, wenn die Korngrösse des Filtermaterials sich in dem Bereich von etwa 51 mm bis zu etwa 3 mm Durchmesser hält.
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Die Erfindung wird im nachstehenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrie- ben.
Fig. 1 erläutert in schematischer Weise die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Entfernung der von einem Gasstrom mitgerissenen Stoffe aus demselben. Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt durch eine Ausfüh- i rungsform der Vorrichtung.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung einen Einlassstutzen 10 für einen Gasstrom, der beispielsweise einen Zersetzungsapparat, wie er bei dem Subhalogenidverfahren zum Raffinieren von Aluminium gebraucht wird, verlässt und mitgerissene feste Stoffe enthält. Der Ein- lassstutzen 10 mündet in einen praktisch vertikalen zylindrischen Kanal 11, von dem aus der Gas- 9 strom in den zentralen Teil einer sich bewegenden Masse von festem Filtermaterial 12 in einem Ge- fäss 14 gelangt.
In dem Einlassstutzen 10 befindet sich auf einer sich drehenden Welle 13a eine Kratzerschnek- ke 1 : : 1, welche die Ansammlung fester Körper auf den Wänden des Einlassstutzens verhindern soll. Das
Gefäss 14 besteht aus einem oberen zylindrischen Teil 15 und einem unteren kegelförmigen Teil 16. i Nahe dem oberen Ende des zylindrischen Teils 15 ist ein Gasaustrittstutzen 18 vorgesehen. Durch den Einlassstutzen 19 eines Kanals 20 lässt man Filtermaterial von geeigneter Korngrösse in das obe- re Ende des zylindrischen Teils 15 eintreten. Aus dem Kanal 20 fliesst das Filtermaterial abwärts durch einen Ringkanal 21, der den Kanal 11 umgibt, hindurch.
Der Neigungswinkel des Kanals 20 zu der Horizontalen muss etwas grösser sein als der Böschungswinkel des darin befindlichenFiltermaterials, ) um zu gewährleisten, dass der Ringkanal 21 stets mit Filtermaterial angefüllt bleibt. Beläuft sich bei- spielsweise der Böschungswinkel des Filtermaterials auf etwa 40 , dann sollte der Kanal vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 450 zu der Horizontalen geneigt sein, während die obere Wandung 21a des Ringkanals 21 vorzugsweise mit einem Neigungswinkel von 55 ausgeführt wird.
Eine axiale Welle 22, die sich durch die ganze Länge des Kanals 11 erstreckt und vorzugsweise in der Längsachse des Gefässes 14 angeordnet ist, trägt eine Kratzerschnecke 24. Das untere Ende der Welle 22, welches sich ungefähr in gleicher Ebene mit dem unteren Ende des Kanals 11 befin- det, trägt einen waagrechten Arm 25, an dem die nach unten hervorstehenden Zinken 26 sitzen, welche dazu bestimmt sind, das Filtermaterial in der Zone unmittelbar unter dem unteren Ende des Ka- nals 11 durchzurühren.
Das untere Ende des kegelförmigen Teils 16 steht mit einer Förderschnecke 28 in Verbindung ; sie dient zum Austragen des die aus dem Gasstrom entfernten festen Stoffe umhüllenden Filtermaterials aus dem unteren Ende des Gefässes 14 zwecks weiterer Behandlung bzw. Beseitigung.
Ein Gasstrom, der mitgerissene feste Stoffe enthält, wird in den zentralen Kanal 11 eingeführt und kommt hierauf in Berührung mit dem Filtermaterial innerhalb des Gefässes 14, wobei die mitge- rissenen Stoffe von dem Filtermaterial zurückgehalten werden, wenn das Gas durch den Ringraum zwi- schen der Wandung des Gefässes 14 und dem unteren Ende des Kanals 11 aufwärts strömt, bevor es
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Filtermaterial zugeführt, während das verschmutzte Filtermaterial aus dem Boden des Gefässeseine sich abwärts bewegende Masse von Filtermaterial befindet.
Ebenso sieht man, dass der mit Verun- reinigungen beladene Gasstrom in dem Gefäss 14 anfänglich durch eine Kegelfläche unmittelbar unter dem unteren Ende des Kanals 11 in die Masse des Filtermaterials eintritt, dann aber abwärts und aus- wärts strömt, um in den Ringraum zwischen dem Kanal 11 und der Wandung des Gefässes 14 einzutreten, durch welchen hindurch das Gas schliesslich aufwärts im Gegenstrom zu dem herabsinkenden Fil- termaterial strömt.
Infolge der Drehung der Welle 22 kratzen die Kanten der Kratzerschnecke 24 die an der Innenwandung des Kanals 11 haftenden Stoffe ab. Ebenso bewirkt die Drehung der Welle 22 eine entsprechende Drehung des Arms 25, wobei die daran sitzenden Zinken 26 das Filtermaterial in der Zone unmittelbar unter dem Ende des Kanals 11, wo die grösste Menge der von dem Gas mitgerissenen Stoffe zurückgehalten wird, durchrühren. Durch dieses dauernde Durchrühren des Filtermaterials kommen ständig saubere, frische Oberflächen des Filtermaterials mit dem eintretenden Gasstrom in Berührung.
Ausserdem wird dadurch das enge Zusammenballen bzw. Verstopfen der Masse des Filtermaterials verhindert, insbesondere natürlich an der Stelle des Gaseintritts.
Fig. 2 erläutert die erfindungsgemässe, im Gegenstrom arbeitende Filtriervorrichtung mit beweglichem Koksbett in grösseren Einzelheiten. Das Hauptfiltriergefäss 30 besteht aus einem oberen, zylindrischen Teil 31 und einem unteren, kegelförmigen Teil 32, welche mit den Blechmänteln 34
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bzw. 35 versehen sind. Durch die auf diese Weise gebildeten Ringräume lässt man eine geeignete Wär- meaustauschflüssigkeit oder ein Fluidum, wie z. B."Dowtherm", in flüssiger oder in Dampfform strö- men, um innerhalb des Gefässes 30 die gewünschte Betriebstemperatur aufrecht zu erhalten. Der Bo - den des kegelförmigen Teils 32 steht mit einer Förderschnecke 36 zur Abfuhr des verunreinigten
Filtermaterials in Verbindung.
Ein axialer Gaseinlasskanal 38 erstreckt sich innerhalb des oberen zylindrischen Teils 31 ab- wärts und endet etwa an der Nahtstelle zwischen dem Teil 31 und dem unteren, kegelförmigen
Teil 32. Eine axiale Welle 39 wird durch einen Elektromotor 40 über ein Untersetzungsgetriebe
42 angetrieben ; dieses Aggregat ist auf dem Anbauteil 44 angebracht. In dem oberen Teil des Ein- lasskanals 38 ist die Welle 39 von einer Hülle 45 umgeben, welche in ihrem unteren Teil 45a, dort wo das durch den Einlassstutzen 46 hindurch dem Einlasskanal 38 zugeführte verunreinigte Gas eintritt, kegelförmig erweitert ist.
An der Welle 39 sind, nach einer Schraubenlinie angeordnet, Blechstreifen 48 befestigt, um etwaige Ablagerungen fester Stoffe an der Oberfläche des konischen Teils 45a der Hülle sowie an den Innenflächen des Kanals 38 abzukratzen. Diese Blechstreifen 48 sind an der Welle 39 mittels der
Scheiben 49 befestigt. Ebenso befindet sich in dem Gaseinlassstutzen 46 ein an der drehbaren Wel- le 47a befestigter Kratzer 47, welcher die Ablagerung fester Stoffe an den Wänden verhindern soll.
Ein an dem unteren Ende der Welle 39 befestigter Arm 50 trägt Zinken 51 zum Durchrühren der Masse des Filtermaterials innerhalb des Gefässes 30, um deren Abwärtsbewegung zu unterstützen und dem Strom des verunreinigten Gases, wenn es aus dem unteren Ende des Rohres 38 austritt, ständig frische Oberflächen der Teilchen des Filtermaterials darzubieten.
Das Filtermaterial gelangt in das Gefäss 30 durch einen Einlassstutzen 52 und eine Zuleitung 54.
Der untere Teil 54a des Kanals 54 bildet einen Ringraum rund um den oberen Teil des Rohres 38 und dient demzufolge dazu, einen ringförmigen Strom des Filtermaterials um das Rohr 38 herum in das Gefäss 30 einzuführen. Die Zuleitung 54 ist auf der ganzen Länge mit einem Wärmeaustausch- mantel 55 versehen, in ähnlicher Weise wie der untere Teil 54a mit einem solchen Mantel 57.
Eine geeignete Wärmeaustauschflüssigkeit wird dem Mantel 55 durch einen Einlass 56 zugeführt und durch einen Auslass 58 abgeführt.
Ebensolche Vorrichtungen sind für das Durchströmen einer Wärmeaustauschflüssigkeit durch den Man- tel 57 vorgesehen, aber hier nicht dargestellt. Die Zuleitung 54 ist an einem Ende durch eine Kap- pe 59 verschlossen, welche ebenfalls mit einem Heizmantel 60 versehen ist, wobei eine geeignete
Wärmeaustauschflüssigkeit durch den Einlass 62 einströmt und durch den Auslass 61 abströmt.
Das Gefäss 30 und die Zubehörteile, einschliesslich der Rohre für Zu- und Ableitung, können aus irgendeinem geeigneten Werkstoff gefertigt sein. Flussstahl ist ein geeigneter Baustoff, wenn das Filter bei einer Temperatur von unter etwa 5000C arbeiten soll. Soll jedoch das Filter bei einer Temperatur von über etwa 5000C arbeiten, dann wird rostfreier Stahl als Baustoff bevorzugt.
Das aus dem Gefäss 30 durch die Förderschnecke 36 abgeführte Filtermaterial kann abgesiebt werden, um das reine Filtermaterial von den festen Verunreinigungen, die ursprünglich in dem Gasstrom enthalten waren, zu trennen. Wird als Filtermaterial Koks verwendet, dann kann das aus dem Boden des Gefässes 30 abgezogene verunreinigte Material einem Sinterofen aufgegeben werden oder einem Reduktionsofen, wie er bei der Herstellung der carbothermischen Aluminiumlegierung, die man durch direkte Reduktion von Bauxit mit Koks erhält, verwendet wird, wobei man dann sowohl das Aluminium als auch den Kohlenstoff wieder gewinnen kann.
Der Arm 50 und die Zinken 51, die zur Aufrechthaltung eines aufgelockerten konischen Bereiches in dem Filtermaterial vorgesehen sind, können durch eine gelochte Platte oder ein Sieb ersetzt werden, jedoch bevorzugt man Arm und Zinken.
Das nachfolgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der praktischen Anwendung der Erfindung.
Dazu wurde eine Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 in der üblichen vollen Grösse verwendet. Drei Untersuchungen wurden ausgeführt unter Verwendung von Koks als Filtermaterial, u. zw. mit einer Feinheit bzw. Korngrösse von < 4, 8 bis 2, 4 mm, bei einer Durchflussmenge von stündlich etwa 16, 3 kg. Das zu filternde Gas war Luft mit einer Durchflussmenge von etwa 9911 je Minute, verunreinigt durch einen Zusatz von Kohlenstaub in einer Menge von stündlich etwa 2, 36 kg und in der Feinheit von etwa 0,044 mm Korngrösse. Die Dauer jeder Untersuchung betrug 24 h. Bei allen Untersuchungen drehte sich an der Oberfläche des Kokses ein Rührwerk mit 1 Umdr/min. Bei den Untersuchungen 2 und 3 wurde Wasser in einer Menge von stündlich etwa 1, 13 kg versprüht.
Während der Untersuchungen wurden Luft, Kohlenstaub und Wassernebel gut miteinander vermischt, bevor sie zur ersten Berührung mit der Koksoberfläche kamen.
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