DE102006058255A1

DE102006058255A1 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Behandlung von Schüttgutmaterialien

Info

Publication number: DE102006058255A1
Application number: DE200610058255
Authority: DE
Inventors: Brent-Allen Culbert; Fernando Eusebio; Andreas Christel
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Polymetrix AG
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-06-12
Also published as: WO2008067680A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Schüttgutmateriales. Die Vorrichtung besitzt einen Behandlungsraum (12) zur Aufnahme des Schüttgutmateriales; mindestens eine Schüttgut-Einfüllöffnung (13), mindestens eine Schüttgut-Austragsöffnung (14), mindestens eine Behandlungsgas-Zuführeinrichtung (15) im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12); mindestens eine Behandlungsgas-Wegführeinrichtung (17) im Deckenbereich (18) des Behandlungsraumes (12); sowie eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten (19a - n) im Behandlungsraum (12), wobei sich zwischen den Stauelementschichten eine Vielzahl von Behandlungsschichten (21a - n) befindet und die Stauelementschichten eine Durchlassfläche zwischen 40% und 98% aufweisen. Erfindungsgemäß erstreckt sich zumindest eine Stauelementschicht (19) im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Behandlungsraumes (12), und zumindest eine der Behandlungsschichten (21) besitzt eine Höhe von weniger als 100 mm, und/oder zumindest eine Stauelementschicht (19) ist mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum (12) angeordnet. Erfindungsgemäß liegt bei dem Verfahren zur thermischen Behandlung die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Stauelementschicht (19) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.

Description

Verschiedene Verfahren zur thermischen Behandlung, insbesondere Erwärmung oder Abkühlung, aber auch Kristallisation, von Schüttgutmaterialien unter Einwirkung eines Behandlungsgases sind im Stand der Technik bekannt. Dabei spielen die Durchsatzmenge an Schüttgutmaterial im Vergleich zur Behandlungsgasmenge sowie die Gasgeschwindigkeit, mit der das Schüttgutmaterial durchströmt wird, eine entscheidende Rolle. So kann zum Beispiel in einem kontinuierlich durchflossenen Festbettreaktor die Gasmenge so gewählt werden, dass ein vollständiger Wärmeaustausch zwischen Schüttgutmaterial und Behandlungsgas statt findet. Dazu muss die Gasgeschwindigkeit so gewählt werden, dass sie unter dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt und so eine Rückmischung im Festbettreaktor verhindert wird. Bei dem daraus resultierenden, geringen Wärmeübergangskoeffizienten ist die Verweilzeit, um den Wärmeaustausch im Reaktor zu gewährleisten, aber sehr hoch. Es ist bekannt, in Festbettreaktoren Stauelemente einzusetzen, um den Produktdruck zu reduzieren und eine Relativbewegung zwischen den Granulaten zu erzeugen. Dies wird zum Beispiel in DE 27 23 549 , Gey, oder in US 6010667 , Meyer, beschrieben. Die geringe Gasgeschwindigkeit, der langsame Wärmeübergang sowie die lange Verweilzeit bleiben aber bestehen.
Demgegenüber kann in einem Wirbelbett- oder Sprudelbettreaktor eine hohe Gasgeschwindigkeit eingesetzt werden, was zu einem hohen Wärmeübergangskoeffizienten und somit kürzeren Verweilzeiten führt. Der Nachteil ist aber, dass sich eine durchschnittliche Betttemperatur bildet an die sich das Schüttgutmaterial und das Behandlungsgas angleichen, und somit ein vollständiger Wärmeaustausch nicht möglich ist. Etwas besser ist die Situation, wenn ein Wirbelbett- oder Sprudelbettreaktor in mehrere hintereinander liegende Bereich unterteilt wird, womit sich eine gute Angleichung der Schüttgutaustrittstemperatur an die Gaseintrittstemperatur erreichen lässt. Nachteilig bleibt aber, dass das Behandlungsgas aus den verschiedenen Bereichen unterschiedliche Austrittstemperaturen aufweist und sich somit nur teilweise an die Schüttguteintritts temperatur angleicht. Ebenso nachteilig ist die insgesamt hohe Behandlungsgasmenge im Vergleich zur Durchsatzmenge an Schüttgutmaterial.
Die oben beschriebenen Nachteile werden im Stand der Technik gelöst, indem eine Vielzahl an Wirbelbett- oder Sprudelbettreaktoren oder Reaktorbereiche so angeordnet werden, insbesondere übereinander, dass das Behandlungsgas im Gegenstrom zum Schüttgutmaterial durch alle Reaktorbereiche fliesst. (R. Perry, Chemical Engineers Handbook, Fifth Edition, 20–87; McGraw-Hill). Dazu sind Trennböden notwendig, die den Produktdurchtritt nach unten verhindern, den Behandlungsgasdurchtritt nach oben aber erlauben. Gleichzeitig sind die Reaktorbereiche über Produktdurchtritte miteinander verbunden. Nachteilig sind bei dieser Anordnung der komplexe und teure Aufbau der Apparate, die ungenutzte Behandlungsgasmenge, die durch die Produktdurchtritte anstatt durch die Trennböden von einem Reaktorbereich in den nächsten fliesst, oder die notwendigen Sperrvorrichtungen, um dies zu verhindern, sowie die Gefahr, dass die Öffnungen für den Behandlungsgasdurchtritt, insbesondere mit Staub aus dem Schüttgutmaterial, verstopfen.
Demgegenüber ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, womit die oben genannten Nachteile vermieden werden können und die es erlauben, ein Schüttgutmaterial in einem Gasstrom mit einer minimalen Menge an Behandlungsgas in kurzer Zeit zu erwärmen oder abzukühlen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, einen möglichst vollständigen Temperaturausgleich zwischen Schüttgutmaterial und Behandlungsgas in kurzer Zeit zu erreichen.
Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung gemäss Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäss Anspruch 25 gelöst.
Erfindungsgemäss wird ein Verfahren zur Behandlung eines Schüttgutmateriales in einer Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung, die zumindest einen Behandlungsraum, eine Einfüllöffnung und eine Austragsöffnung für das Schüttgutmaterial sowie eine Zuführeinrichtung und eine Wegführeinrichtung für ein Behandlungsgas aufweist, mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten versehen wird, und die Stauelementschichten sowohl vom Behandlungsgas, wie auch vom Schüttgutmaterial durchströmt werden können.
Erfindungsgemäss wird eine Vorrichtung zur Behandlung eines Schüttgutmateriales, die zumindest einen Behandlungsraum, eine Einfüllöffnung und eine Austragsöffnung für das Schüttgutmaterial sowie eine Zuführeinrichtung und eine Wegführeinrichtung für ein Behandlungsgas aufweist, mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten versehen, wobei die Stauelementschichten eine Durchlassfläche von zwischen 40% und 98% offen lassen und/oder im Notfall eine Reinigung der Vorrichtung zulassen.
Der Behandlungsraum der Vorrichtung wird von einem Gehäuse umgeben. Der horizontale Querschnitt des Behandlungsraumes kann eine beliebige Form aufweisen, ist bevorzugterweise aber rund oder rechteckig. Der Behandlungsraum ist im Wesentlichen vertikal angeordnet, so dass das Schüttgutmaterial die Vorrichtung entweder von oben nach unten oder von unten nach oben durchfliessen kann. Wichtig ist dabei, dass ein gleichmässiger Produktfluss erreicht werden kann. Der Behandlungsraum wird seitlich durch einen Mantel begrenzt. Die Mantelwand kann dabei aus zylindrischen, konischen oder aus einer Kombination aus konischen und zylindrischen Segmenten bestehen, wodurch sich die Gasgeschwindigkeitsverteilung über die Höhe der Vorrichtung beeinflussen lässt. Eine Aufweitung im Deckenbereich erlaubt dabei eine Reduktion der Gasgeschwindigkeit, was den Austrag von Schüttgutmaterial verhindert.
Eine Verengung im Deckenbereich erlaubt eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit, was zu einer stärkeren Verwirbelung führt, wodurch sich allfällige Verklebungen verhindern lassen.
Eine besondere Ausführung sieht einen wenigstens annähernd rotationssymmetrischen Gehäusemantel vor, was fertigungstechnische Vorteile, sowie Vorteile für einen regelmässigen Produktfluss ergibt.
Im Innern des Behandlungsraumes kann ein Verdrängerkörper angeordnet sein, der nicht vom Schüttgutmaterial durchflossen wird und somit den Behandlungsraum verkleinert. Solche Verdrängerkörper können zum Beispiel zur Durchführung von Behandlungsgas, zur Anpassung der freien Querschnittsfläche oder zur Verbesserung des Schüttgutmaterialflusses eingesetzt werden.
Eine Vorrichtung kann durch den Einsatz von Trennwänden in mehrere Kammern unterteilt werden, wobei eine Produktverteilung auf mehrere Kammern gleichzeitig oder eine Produktführung von einer Kammer zur nächsten denkbar ist. Zumindest eine Kammer bildet dabei einen Behandlungsraum mit den kennzeichnenden Merkmalen der vorliegenden Erfindung.
Zumindest eine Einfüllöffnung mündet in den Behandlungsraum, so dass zu behandelndes Schüttgutmaterial in den Behandlungsraum eingeführt werden kann. Bei der Einfüllöffnung kann es sich zum Beispiel um eine Öffnung im Gehäuse oder um den Austritt aus einem Rohr, das in das Gehäuse geführt wird, handeln. Die Einfüllöffnung kann in mehrere Segmente unterteilt sein, was eine Verteilung des Schüttgutes im Behandlungsraum erlaubt. Üblicherweise befindet sich die Einfüllöffnung im Deckenbereich des Behandlungsraumes.
Zumindest eine Austragsöffnung mündet in den Behandlungsraum, so dass behandeltes Schüttgutmaterial aus dem Behandlungsraum ausgetragen werden kann. Bei der Austragsöffnung kann es sich zum Beispiel um eine Öffnung im Gehäuse oder um den Eintritt in ein Rohr, das aus dem Gehäuse heraus geführt wird, handeln. Zweckmässigerweise befindet sich die Austragsöffnung im Bodenbereich des Behandlungsraumes, wobei das Schüttgutmaterial bevorzugterweise durch einen konischen Bereich der Austragsöffnung zugeführt wird. Der Winkel des Auslaufkonus beträgt zur Horizontalen bevorzugterweise 50–80°, wenn das Schüttgutmaterial im Austragskonus nicht fluidisiert oder vibriert wird, und 15–60°, insbesondere 30–50°, wenn das Schüttgutmaterial im Austragskonus fluidisiert oder vibriert wird.
Alternativ kann das Schüttgutmaterial auch mittels einer mechanischen Austragsvorrichtung, wie zum Beispiel einer Schnecke, der Austragsöffnung zugeführt werden. Unter halb der Austragsöffnung kann sich ein Sperrelement, wie zum Beispiel eine Zellradschleuse, eine horizontal angeordneten Austragswalze oder ein automatischer Schieber befinden, mit dessen Hilfe der Schüttgutabfluss aus dem Behandlungsraum geregelt wird. Als Regelgrösse kann dabei zum Beispiel die Füllhöhe des Schüttgutmaterials im Behandlungsraum oder das Gewicht des Schüttgutes in der Vorrichtung dienen.
Im Bodenbereich des Behandlungsraumes befindet sich zumindest eine Zufuhreinrichtung für ein Behandlungsgas. Die Zufuhreinrichtung weist zumindest eine Eintrittsöffnung auf, durch die Behandlungsgas in den Behandlungsraum strömt.
Die Zuführeinrichtung für ein Behandlungsgas kann Vorrichtungen, wie zum Beispiel nach unten offene Kegel oder Dachreihen sowie Leitungen oder Bleche mit Austrittsbohrungen, umfassen, solange eine ausreichend gleichmässige Verteilung des Behandlungsgases erfolgt. Eine besondere Ausführung sieht vor, dass der Behandlungsraum nach unten durch eine zumindest teilweise gasdurchlässige Absperreinrichtung, insbesondere ein Lochblech mit einer Vielzahl an Eintrittsöffnungen, begrenzt wird, die von Prozessgas zumindest stellenweise, nicht aber vom Schüttgut durchströmt werden kann. Dazu sind die Öffnungen kleiner als der Durchmesser der Schüttgutpartikel. Die Durchlassfläche weist bevorzugterweise zwischen 1% und 30% auf. Bevorzugt sind Öffnungen zwischen 20 und 90%, insbesondere zwischen 30 und 80% des Durchmessers der Schüttgutpartikel. Die Anzahl und Grösse der Öffnungen kann dabei gleichmässig oder ungleichmässig sein. Die Absperreinrichtung ist konisch oder horizontal angeordnet.
Unterhalb der Absperreinrichtung kann sich ein Verteilerraum befinden, durch den Behandlungsgas zur Absperrvorrichtung geführt wird. In diesem Verteilerraum mündet zumindest eine Zufuhröffnung für Behandlungsgas. Weiterhin können Vorrichtungen zur Verteilung des Prozessgases, wie Staubleche, Ventile oder Klappen, wie auch getrennte Kanäle zur individuellen Prozessgaszufuhr angeordnet sein.
Alternativ kann der Behandlungsraum nach unten durch eine nicht gasdurchlässige Absperreinrichtung begrenzt sein. In diesem Fall kann es sich bei der zumindest einen Zufuhreinrichtung für ein Behandlungsgas, um eine Öffnung im Gehäuse, um den Aus tritt aus einem Rohr oder mehreren Rohren, die in das Gehäuse geführt werden, oder um ein einzelnes Dach oder eine Dachreihe, die entweder mit Löchern versehen oder nach unten offen sind, handeln. Dabei kann ein allfälliger Verdrängerkörper zur Gaszufuhr verwendet werden.
Zweckmässigerweise ist die Zufuhreinrichtung für das Behandlungsgas direkt oder indirekt mit Rohrleitungen oder Kanälen verbunden, durch die eine Verbindung zu Einrichtungen zur Vorbehandlung des Prozessgases, wie zum Beispiel Verdichtungseinrichtungen (z. B. Ventilatoren, Gebläsen oder Kompressoren), Wärmetauschern oder Reinigungseinrichtungen (z. B. Filter, Zyklone oder katalytische Verbrennungseinrichtungen), hergestellt wird.
Eine besondere Ausführung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zusätzlich zur zumindest einen Zufuhreinrichtung für Behandlungsgas im Bodenbereich des Behandlungsraumes zumindest eine weitere Zufuhreinrichtung für Behandlungsgas in den Behandlungsraum mündet, wodurch sich eine mehrstufige Wärmezufuhr oder Wärmewegfuhr, sowie ein mehrstufiges Gasgeschwindigkeitsprofil erreichen lässt.
Im Deckenbereich des Behandlungsraumes befindet sich zumindest eine Wegführeinrichtung für das Behandlungsgas. Bei der Wegführeinrichtung kann es sich zum Beispiel um eine Öffnung im Gehäuse oder um den Eintritt in ein Rohr, das aus dem Gehäuse heraus geführt wird, handeln. Die Wegführeinrichtung kann sich dabei im Mantel oder der Decke des Behandlungsraumes befinden.
In oder unterhalb der Wegführeinrichtung können sich Vorrichtungen befinden, die den Durchtritt von Prozessgas erlauben, den Durchtritt von Schüttgut aber behindern. Dies kann zum Beispiel durch einen gebogenen oder umgelegten Durchflusskanal oder mit Hilfe von ablenkenden Einbauten, wie zum Beispiel einem Zick-Zack-Abscheider, erfolgen. Üblicherweise ist die Wegführeinrichtung für das Behandlungsgas direkt oder indirekt mit Rohrleitungen oder Kanälen verbunden, durch die eine Verbindung zu Einrichtungen zur Nachbehandlung des Prozessgases, wie zum Beispiel Verdichtungseinrichtungen (z. B. Ventilatoren, Gebläsen oder Kompressoren), Wärmetauschern oder Reinigungseinrichtungen (z. B. Filter, Zyklone oder katalytische Verbrennungseinrichtun gen), hergestellt wird. Zwischen der Wegführeinrichtung und Zufuhreinrichtung für das Behandlungsgas kann ein geschlossener oder teilweise geschlossener Kreislauf bestehen.
Erfindungsgemäss befinden sich im Behandlungsraum eine Vielzahl von Stauelementschichten, wobei es sich bei den Stauelementschichten zum Beispiel um Netze, Gitter oder Roste oder eine Kombination daraus handelt. Alternativ kann eine Stauelementschicht auch aus einer Vielzahl an individuellen Staukörpern aufgebaut sein. Die Stauelementschichten sind so ausgeführt, dass sie sowohl von Behandlungsgas wie auch von Schüttgutmaterial durchströmt werden können. Dazu wird eine hohe Durchlassfläche benötigt. Die Durchlassfläche ergibt sich dabei aus dem Querschnitt durch den Behandlungsraum auf der Höhe einer Stauelementschicht, wobei die Durchlassfläche gleich der vom Schüttgutmaterial durchströmten Fläche geteilt durch die freie Querschnittsfläche des Behandlungsraumes entspricht. Allfällige Verdrängerkörper im Behandlungsraum gehören dabei nicht zur freien Querschnittsfläche des Behandlungsraumes. Erfindungsgemäss beträgt die Durchlassfläche 40% bis 98%. Bevorzugt beträgt die Durchlassfläche zwischen 50% und 90%, insbesondere zwischen 60% und 80%.
Um den Schüttgutmaterialfluss zu gewährleisten, sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite aufweisen, die 4 bis 40 Mal grösser ist als der durchschnittliche Schüttgutpartikeldurchmesser. Als Durchgangsbreite gilt dabei der Abstand zwischen zwei Stauelementen einer Stauelementschicht. Ist der Abstand auf einer Achse geringer als auf der anderen, so wird der geringere Abstand als Durchgangsbreite bezeichnet. Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate mit einem mittleren Durchmesser von 0.4 mm bis 5 mm, so sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 4 mm bis 50 mm aufweisen.
Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um ein Pulver mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 0.4 mm, so sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 1 mm bis 20 mm aufweisen. Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um Schnitzel oder Flocken mit einer maximalen Länge von 10 mm bis 40 mm, so sollen die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 20 mm bis 200 mm aufweisen.
Zweckmässigerweise sind im Behandlungsraum zwischen 3 und 100 Stauelementschichten angeordnet, wobei bevorzugterweise mehr als 5, insbesondere mehr als 10, Stauelementschichten im Behandlungsraum angeordnet sind. Mehr als 100 Stauelementschichten sind denkbar, führen aber zu einer sehr grossen Bauhöhe der Vorrichtung, was in vielen Fällen nicht erwünscht ist.
Die Stauelementschichten sollen so angeordnet sein, dass die Schüttgutbehandlung möglichst gleichmässig erfolgt. Dazu soll üblicherweise zumindest eine Stauelementschicht im wesentlich horizontal im Behandlungsraum angeordnet sein, wobei bevorzugterweise zumindest 5 Stauelementschichten im wesentlich horizontal im Behandlungsraum angeordnet sind.
Zweckmässigerweise soll sich zumindest eine Stauelementschicht im Wesentlichen über die gesamte freie Querschnittsfläche des Behandlungsraumes erstrecken, wobei sich bevorzugterweise zumindest 5 Stauelementschichten im Wesentlichen über die gesamte freie Querschnittsfläche des Behandlungsraumes erstrecken sollen. Kleine offene Flächen können zum Beispiel an den Rändern der Stauelementschichten oder deren Segmenten vorhanden sein. Die offenen Flächen sollen aber maximal 10% der freien Querschnittsfläche des Behandlungsraumes umfassen.
Im Wesentlichen sind die Stauelementschichten übereinander angeordnet.
Zwischen den Stauelementschichten befinden sich eine Vielzahl von Behandlungsschichten.
Zumindest eine Behandlungsschicht weist eine Höhe von 10–300 mm auf. Zweckmässigerweise weisen zumindest 5 Behandlungsschichten eine Höhe von 10–300 mm auf. Bevorzugterweise weisen die Behandlungsschichen eine Höhe von mehr als 20 mm, insbesondere mehr als 30 mm auf. Bevorzugterweise weisen die Behandlungsschichten eine Höhe von weniger als 200 mm, insbesondere weniger als 100 mm auf.
In den Behandlungsschichten können sich Einbauten zur Wärmezufuhr oder Abfuhr befinden, die aber keine vollständige Stauelementschicht bilden.
Die Stauelementschichten können direkt mit dem Gehäusemantel verbunden sein oder über eine separate Trägerstruktur im Behandlungsraum angeordnet sein.
Eine trennbare Verbindung zwischen den Stauelementschichten und dem Gehäusemantel oder der Trägerstruktur ist bevorzugt.
Obwohl dies durch die Stauelementschichten im normalen Betriebszustand verhindert wird, besteht bei der thermischen Behandlung von Schüttgutmaterialien mit erhöhter Klebeneigung bei einer Fehlbedienung die Gefahr, dass sich in den Behandlungsschichten Agglomerate bilden, die die Stauelementschichten nicht mehr durchfliessen können. Um in dieser Situation eine Reinigung der Vorrichtung zu gewährleisten, können in der Vorrichtung Öffnungen vorgesehen werden, durch die allfällige Agglomerate entfernt werden können oder zerstört werden können. Erfindungsgemäss soll dazu die Höhe einer Behandlungsschicht gering gehalten werden, das heisst unter 100mm gehalten werden, wodurch die Grösse allfälliger Agglomerate limitiert ist, oder die Stauelementschichten sollen mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum angeordnet sein, wodurch eine Entfernung einzelner Stauelementschichten und Behandlungsschichten oder eines Paketes aus Stauelementschichten und Behandlungsschichten ermöglicht wird.
Als trennbare Verbindung werden dabei zum Beispiel Verbindungen durch Schrauben, Klemmen oder Auflegen bezeichnet, was im Gegensatz zu festen Verschweissungen oder Fertigungen aus einem Stück steht.
Im Gehäuse der Vorrichtung können weitere Öffnungen vorgesehen sein, wie zum Beispiel Schaugläser, Reinigungsöffnungen, Zugangsöffnungen oder Öffnungen für Messfühler. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn sich die Vorrichtung im Deckenbereich zum Beispiel durch eine Flanschverbindung öffnen lässt und/oder wenn sich die Vorrichtung im Bodenbereich zum Beispiel durch eine Flanschverbindung öffnen lässt.
Eine Stauelementschicht besteht aus einer Vielzahl einzelner Stauelemente. Bei den einzelnen Stauelementen kann es sich um Bleche, Stäbe, Drähte, Rohre oder einzelne Staukörper oder eine Kombination daraus handeln. Die einzelnen Stauelemente sollen so angeordnet sein, dass eine Ablagerung von Schüttgutmaterial vermieden wird, insbesondere sollen Bleche im Wesentlichen hochkant oder nur leicht (max. 30°) abgewinkelt verwendet werden.
Die einzelnen Stauelemente sollen so aufgebaut sein, dass sie der Belastung durch das bewegte Schüttmaterial standhalten, aber gleichzeitig keine grossen Totzonen verursachen. Bevorzugt sind Querschnittsflächen von 0.03 bis 20 cm², insbesondere 0.07 bis 1 cm². Allfällige Stützkonstruktionen können jedoch grössere Querschnittsflächen aufweisen. Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einem Gitter, insbesondere Gewebe einzelner, sich kreuzender Drähte besteht. Um genügend Festigkeit aufzuweisen, sollen die einzelnen Drähte eine Dicke von 2.5 bis 10 mm aufweisen, wobei Drahtdicken von grösser oder gleich 3 mm bevorzugt sind. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einzelnen Stäben oder Drähten, die sternförmig oder parallel zueinander angeordnet sind, aufgebaut ist. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einzelnen Rohren als Rost aufgebaut ist. Hierbei besteht zusätzlich die Möglichkeit, dass die Rohre von einem Wärmeträgermedium durchflossen werden, wodurch sich Wärme in den Behandlungsraum eintragen oder austragen lässt. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Stauelementschicht aus einzelnen Staukörpern besteht, wobei die Staukörper horizontal miteinander verbunden sein können oder vertikal mit Staukörpern anderer Stauelementschichten verbunden sein können. Die einzelnen Staukörper sind bevorzugterweise nach oben konisch.
Einzelne Stauelemente können zu Abschnitten oder Segmenten zusammengefasst sein, wobei sich aus einigen Abschnitten oder Segmenten eine Stauelementschicht zusammensetzen lässt.
Weisen die Stauelemente eine Richtung oder Orientierung auf, so können einzelne Schichten zueinander versetzt und/oder verdreht angeordnet sein.
Die Vorrichtung oder Teile der Vorrichtung, insbesondere eine oder mehrere Stauelementschichten, können mit einem Schwingungsgeber verbunden sein, der die Vorrichtung oder Teile davon in Vibration versetzt.
Erfindungsgemäss durchströmt das Behandlungsgas den Behandlungsraum im Wesentlichen von unten nach oben. Die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases soll in zumindest einer Stauelementschicht über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegen. Üblicherweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Stauelementschichten über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.
Bevorzugterweise soll die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in den Stauelementschichten zwischen 10% und 150%, insbesondere zwischen 20% und 75% über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegen.
Gemäss einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.
Zweckmässigerweise liegt dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Behandlungsschichten über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials.
Bevorzugterweise soll dabei die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in den Behandlungsschichten zwischen 1% und 100%, insbesondere zwischen 2% und 50% über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegen.
Eine besondere Ausführung sieht vor, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Behandlungsschichten unter dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt, in 5 angrenzenden Stauelementschichten jedoch über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Als Lockerungspunkt wird die Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet, bei der sich die Schüttung im losesten Zustand befindet. Die Bestimmung des Lockerungspunktes aus einer Messung eines Druckverlustverlaufs ist im VDI Wärmeatlas 5. Auflage 1988, im Kapitel Lf, Bild 4 dargestellt. Eine näherungsweise Berechnung kann aus "Wärme und Stoffübertragung in der Wirbelschicht; H. Martin; Chem. Ing. Tech 52 (1980) Nr 3, S199–209" entnommen werden. Für die Porosität (P) wird eine Berechnung aus der Partikelgeometrie angewandt, wobei für
P = (1/14/Os)^(1/3) und
Os = Oberfläche der Kugel gleichen Volumens/Partikeloberfläche gilt.
Für nicht kugelförmige Schüttgutpartikel kann der Durchmesser der volumengleichen Kugel eingesetzt werden.
Alternativ lässt sich die Porosität auch aus dem Schüttgewicht im Lockerungspunkt und der Produktdichte berechnen als P = 1-Schüttdichte/Produktdichte.
Treten starke Abweichungen der Porositätswerte nach den beiden Berechnungsarten auf, so muss auf jeden Fall eine Messung durchgeführt werden.
Handelt es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate, insbesondere mit einem mittleren Durchmesser von 1.4 bis 5 mm und einer Temperatur zwischen 0°C und 300°C, so wird der Lockerungspunkt bei einer Gasgeschwindigkeit von ca. 0.6 bis 2 m/s erreicht.
Der mittlere Durchmesser entspricht dabei dem durchschnittlichen Durchmesser der volumengleichen Kugeln der Granulate.
Bevorzugt sind Gasgeschwindigkeiten im Bereich von 0.5–4 m/s, insbesondere grösser als 0.7 m/s und/oder insbesondere kleiner 2 m/s.
Die Gasgeschwindigkeit entspricht dabei der Leerrohrgeschwindigkeit, also der Gasmenge pro Zeit geteilt durch den Querschnitt des Behandlungsraumes.
Durch den Wärmeaustausch zwischen Schüttgutpartikeln und Behandlungsgas kann sich die Temperatur des Behandlungsgases und damit auch dessen Strömungsgeschwindigkeit von unten nach oben im Behandlungsraum verändern. Um diese Veränderung auszugleichen, kann entweder der Mantel um den Behandlungsraum zumindest stellenweise konisch ausgebildet sein oder im Behandlungsraum können Verdrängungskörper angeordnet sein, die die Querschnittsfläche des Behandlungsraumes im Verhältnis zur Strömungsgeschwindigkeit verkleinern.
Ein ausreichender Ausgleich wird erreicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im unteren Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VU besitzt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VO besitzt, wobei vzw. die Beziehung VU/(VU+VO) = 0.33 bis 0.67, insbesondere, VU/(VU+VO) = 0.39 bis 0.61, erfüllt ist.
Eine besondere Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens sieht vor, dass das Schüttgutmaterial den Behandlungsraum von oben nach unten durchströmt. Wird dabei ein heisses Schüttgutmaterial abgekühlt, so erwärmt sich das Behandlungsgas von unten nach oben. Um die daraus resultierende Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Behandlungsgases zu kompensieren, soll die Querschnittsfläche in den oberen Behandlungsschichten grösser sein, als in den unteren Behandlungsschichten. Umgekehrt kühlt das Behandlungsgas bei einem Verfahren zum Erwärmen eines Schüttgutmaterials von unten nach oben ab. Um die daraus resultierende Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit des Behandlungsgases zu kompensieren kann die Querschnittsfläche in den oberen Behandlungsschichten kleiner sein, als in den unteren Behandlungsschichten. Eine weitere Möglichkeit, die nach oben hin abnehmende Strömungsgeschwindigkeit des Behandlungsgases zu kompensieren oder sogar eine höhere Geschwindigkeit in den oberen Behandlungsschichten zu erzielen, lässt sich durch eine starke Reduktion der Querschnittsfläche oder durch eine zusätzliche Zufuhreinrichtung für Behandlungsgas erreichen, was besonders bei der Kristallisation amorpher Granulate von Vorteil ist, da dadurch ein Verkleben der Granulate verhindert werden kann.
Eine besondere Ausführung sieht dazu vor, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im Bodenbereich des Behandlungsraumes zwischen 0,7 m/s und 2 m/s beträgt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes zwischen 1.5 und 4 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt. Mit dieser Ausführung lässt sich im oberen Bereich des Behandlungsraumes eine stärkere Rückvermischung erreichen, was vor allem zur Behandlung von kristallisierbaren Schüttgütern und insbesondere deren Kristallisation vorteilhaft ist.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführung erfolgt die Behandlung des Schüttgutmaterials derart, dass eine möglichst gute Angleichung der Schüttguttemperatur an die Eintrittstemperatur des Behandlungsgases und der Behandlungsgastemperatur an die Eintrittstemperatur des Schüttgutes erfolgt.
Insbesondere erfolgt die thermische Behandlung bevorzugterweise derart, dass das Behandlungsgas eine Eintrittstemperatur TiG und eine Austrittstemperatur TaG aufweist, dass das Schüttgutmaterial eine Eintrittstemperatur TiP und eine Austrittstemperatur TaP aufweist und dass sich TaP im Wesentlichen an TiG angleicht und dass sich TaG im Wesentlichen an TiP angleicht, was sich durch die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) kleiner als 0.5, insbesondere kleiner als 0.4, berechnen lässt. Bei optimaler Prozessführung können sogar Werte unter 0.3 erreicht werden. Ein derart guter Wärmeaustausch lässt sich mit herkömmlichen Wirbelbett oder Fliessbetreaktoren nicht erreichen, sondern bedarf eines Festbettreaktors. Durch den raschen Temperaturaustausch in der erfindungsgemässen Vorrichtung, ist es aber möglich, ein Schüttgutmaterial mit deutlich kürzeren Behandlungszeiten wie in einem Festbettreaktor thermisch zu behandeln. Behandlungszeiten in der erfindungsgemässen Vorrichtung sind üblicherweise unter 1 Stunde, insbesondere unter 30 Minuten. Bevorzugt sind Behandlungszeiten zwischen 1 und 25 Minuten. Bei der Behandlungszeit ist die Zeit, in der sich das Schüttgutmaterial ohne oder nur mit geringer Behandlungsgasdurchströmung im Auslaufbereich, zum Beispiel einem Auslaufkonus, befindet, nicht berücksichtigt.
Eine weitere besondere Ausführung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Partikel, insbesondere Granulate, eines oder mehrere Polymere handelt. Bei den Polymeren kann es sich um ein Neumaterial oder um ein Rezyklat handeln. Die Polymeren können weitere Substanzen als Additive enthalten.
Besonders bevorzugt sind Polykondensate, wie zum Beispiel, Polyamid, Polyester, Polykarbonat, Polylactid, Polyhydroxyalkanoate oder deren Copolymere, insbesondere Polyethylenterephthalat oder eines seiner Copolymere, wobei auch Mischungen verschiedener Polykondensate verwendet werden können.
Um die Füllhöhe des Schüttgutmaterials in der erfindungsgemässen Vorrichtung auch bei sich ändernder Gasgeschwindigkeit und somit auch sich änderndem Schüttgewicht des Schüttgutmaterials im Wesentlichen konstant zu halten, kann sich die Vorrichtung auf einer Wägezelle befinden, oder es kann eine Sonde zur Messung der Füllhöhe eingesetzt werden.
Mittels der Füllhöhe, der Behandlungszeit und dem Abstand der Stauelementschichten lässt sich eine durchschnittliche Verweilzeit in einer Behandlungsschicht berechnen. Um einen gleichmässigen Wärmeaustausch zwischen Produkt und Behandlungsgas zu gewährleisten, soll die Verweilzeit in einer Behandlungsschicht zwischen 0.05 und 10 Minuten betragen. Bevorzugt sind Zeiten über 0.1 Minuten, insbesondere über 0.2 sowie unter 5 Minuten, insbesondere unter 3 Minuten.
Eine besondere Ausführung sieht vor, dass zumindest eine Einfüllöffnung für das Schüttgutmaterial in den unteren Teil des Behandlungsraumes mündet. Dadurch fliesst das Schüttgutmaterial von unten nach oben durch den Behandlungsraum, wodurch sich ein Gleichstrom mit dem Behandlungsgas ergibt. Der Vorteil dieser Betriebweise ist ein rascher Anstieg der Schüttguttemperatur auch dann, wenn kleine Behandlungsgasmengen verwendet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren kann einen eigenständigen Verfahrensschritt zur thermischen Behandlung, wie zum Beispiel Erwärmen, Kühlen, Trocknen, Konditionieren, Kristallisieren, Entgasen, von Schüttgutmaterialien darstellen, oder in Kombination mit weiteren Verfahrensschritten verwendet werden. So ist zum Beispiel eine Verwendung in Anlagen zur Kristallisation, zur Festphasen-Polykondensation, zur Trocknung oder zur Monomerentgasung möglich.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann dazu unabhängig von weiteren Prozessapparaten aufgestellt sein oder in einen komplexen Prozessapparat integriert sein. So kann die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Beispiel als Aufheizstufe vor einem Schachtreaktor oder als Kühlstufe nach einem Schachtreaktor angeordnet sein. Eine andere Kombination nutzt die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Homogenisierung nach einem Wirbelschichtapparat.
Die in den verschiedenen Apparaten oder Apparateteilen verwendeten Prozessgase können dabei unabhängig voneinander oder miteinander gekoppelt eingesetzt werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Anwendungsmöglichkeiten können den nachfolgend beschriebenen Figuren entnommen werden, wobei:
1 eine schematische Schnittansicht entlang einer vertikalen Schnittebene einer ersten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist;
2 einen Ausschnitt einer Stauelementschicht gemäss einer zweiten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt;
3a, 3b und 3c schematische Ansichten gemäss einer dritten, einer vierten und einer fünften Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung sind;
4 eine schematische Darstellung eines Segments einer Stauelementschicht gemäss einer sechsten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist; und
5 eine schematische Schnittansicht entlang einer vertikalen Schnittebene des unteren Teils einer siebten Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist.
1 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Behandlungsraum (12), der nach oben von einem Gehäusedeckel (10) und nach unten von einem Lochblech (15) abgeschlossen ist, sowie von einem Gehäusemantel (11) umgeben ist. Im Deckenbereich (18) befindet sich eine Einfüllöffnung (13) für Schüttgutmaterial und eine Wegführeinrichtung (17) für Behandlungsgas. Im Bodenbereich (16) befindet sich eine Austragsöffnung (14) für Schüttgutmaterial. Das Lochblech (15) wirkt als Zufuhreinrichtung, durch die Behandlungsgas in den Behandlungsraum (12) fliesst. Die Austragsöffnung (14) wird nach unten durch eine Zellradschleuse (24) abgesperrt. Im Behandlungsraum (12) befindet sich eine Vielzahl an Gitternetzen (19a–n) als Stauelementschichten. Dazwischen entsteht eine Vielzahl an Behandlungsschichten (21a–n) die jeweils nach oben und unten von einer Gitterschicht begrenzt werden. Unter dem Lochblech (15) befindet sich ein Verteilerraum (22) für das Behandlungsgas, in den eine Zufuhröffnung (23) für Behandlungsgas mündet. Die einzelnen Stauelementschichten (19a–n) sind an einer Trägerstruktur (26) befestigt. Im Deckenbereich (18) verbindet ein Flansch (25) den Gehäusemantel (11) mit dem Gehäusedeckel (10). Durch Lösen des Flansches (25) lässt sich die Vorrichtung öffnen, und die Stauelementschichten (19a–n) lassen sich an der Trägerstruktur (26) nach oben entnehmen.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Stauelementschicht (19) aus einer Vielzahl einzelner Stauelemente (20a–n), wobei es sich bei der Stauelementschicht um ein Gitternetz aus einer Vielzahl an Drähten handelt. Der minimale Abstand zwischen den Drähten entspricht dabei der Durchgangsbreite (L_D). Die Durchlassfläche umfasst dabei die Summe aller Maschenflächen A_M zwischen den Stauelementen (20a–n) plus die Randflächen AR zwischen den Stauelementen und dem Gehäusemantel (11) im Verhältnis zur freien Querschnittsfläche im Behandlungsraum.
3a, 3b und 3c zeigen weitere mögliche Aufbauten und Anordnungen von zwei Stauelementschichten (19a–b), zwischen denen sich jeweils ein Behandlungsraum (21a) befindet. Für die 3a und 3b ist entlang der Schnittlinie L jeweils die Durchgangsbreite L_D sowie die Stauelementbreite L_S sichtbar, woraus sich auch die Durchlassfläche als Summe aller L_D multipliziert mit deren Länge im Verhältnis zur freien Querschnittsfläche im Behandlungsraum berechnet lässt.
3a zeigt dabei eine Vielzahl an Rohren als Stauelemente (20a–n), die von einer Schicht zur nächsten jeweils um 90° versetzt angeordnet sind. Die Rohre können von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt werden, was durch die Eintrittsöffnung (28) angedeutet ist.
3b zeigt dabei eine Vielzahl an leicht schräg angeordneten Leitblechen als Stauelemente (20a–n), die von einer Schicht zur nächsten jeweils gespiegelt angeordnet sind.
3c zeigt eine Vielzahl an bi-konischen Staukörpern die von einer Stauelementschicht zur nächsten mittels einer Stange verbunden sind. Die Staukörper (20a–n) bilden eine Stauelementschicht (19a). Die Stäbe zu den darunter angeordneten Staukörpern bilden eine Vielzahl an Verdrängerkörpern in der Behandlungsschicht (21a).
4 zeigt ein Segment (19a1) einer Stauelementschicht (19a). Aus einer Vielzahl solcher Stauelementsegmente ergibt sich eine runde, insbesondere kreisförmige Stauelementschicht mit einer runden, insbesondere kreisförmigen Aussparung für einen Verdrängerkörper in der Mitte. Die einzelnen Stauelemente (20b–n) sind sternförmig auf einer Trägerstruktur (20a) aufgebaut.
5 zeigt den unteren Teil einer weiteren erfindungsgemässen Vorrichtung, wobei hier der Behandlungsraum (12) nach unten konisch abgeschlossen ist und ein Übergang in mehrere Auslaufkonen erfolgt, die in mehrere Austragsöffnungen (14a–n) münden. Im Zentrum des Behandlungsraumes (12) befindet sich ein Verdrängerkörper (27), durch den eine Zufuhröffnung für Behandlungsgas (23) mit einer Zufuhrvorrichtung für Behandlungsgas (15) verbunden ist.
Beispiel 1
In einem zylindrischen Schacht mit einer Prozesskammer mit 0.24 cm² Querschnittsfläche und einem im unteren Teil konisch (mit 15° Neigung zur Horizontalen) angeordneten Lochblech sind im Abstand von 5 cm 22 Siebe mit einer Maschenweite von 14 mm und einer Drahtdicke von 3 mm angeordnet, die sich horizontal über die gesamte Reak torfläche erstrecken. Die Durchlassfläche durch das Drahtgitter beträgt somit 68%. Im Zentrum des Lochbleches ist ein Austrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet. Im Austrittsrohr ist eine Zellradschleuse angeordnet. Im Deckenbereich ist ein Eintrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet.
Der Reaktor wird kontinuierlich von oben mit 600 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 190°C beschickt. Durch das Siebblech wird 765 Nm3/h Luft mit 42°C und 83 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe wird auf 110 cm konstant gehalten. Bei einem gelockerten Schüttgewicht von 714 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 18.6 Minuten. Die Verweilzeit zwischen zwei Stauelementschichten beträgt 0.8 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 70°C ab, das Gas erwärmt sich auf 158°C.
Die Gasgeschwindigkeit nimmt dabei von unten nach oben von 1.0 auf 1.4 m/s zu.
Der berechnete Lockerungspunkt nimmt dabei von unten nach oben von 1.1 m/s auf 1.2 m/s zu. Da die Erwärmung des Gases und somit die Gasgeschwindigkeitszunahme rasch erfolgt, ist die Gasgeschwindigkeit in einem Grossteil des Reaktors über dem Lockerungspunkt.
Das Geschwindigkeitsverhältnis VU/(VU+VO) beträgt 0.40.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) beträgt 0.41.
Beispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt mit dem Unterschied, dass 670 Nm3/h Luft mit 44°C und 81 mbar Überdruck zugeführt wurden.
Das Produkt kühlt auf 73°C ab, das Gas erwärmt sich auf 177°C.
Die Gasgeschwindigkeit nimmt dabei von unten nach oben von 0.8 auf 1.3 m/s zu.
Das Geschwindigkeitsverhältnis VU/(VU+VO) beträgt 0.39.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) beträgt 0.29.
Beispiel 3
In einem konischen Schacht mit einer Prozesskammer mit einer unteren Querschnittsfläche von 0.15 cm2, einer oberen Querschnittsfläche von 0.24 cm2 und einem im unteren Teil konisch (mit 60° Neigung zur Horizontalen) angeordneten Lochblech sind im Abstand von 5 cm 22 Siebe mit einer Maschenweite von 14 mm angeordnet, die sich horizontal über die gesamte Reaktorfläche erstrecken. Im Zentrum des Lochbleches ist ein Austrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet. Im Austrittsrohr ist eine Zellradschleuse angeordnet. Im Deckenbereich ist ein Eintrittsrohr mit 10 cm Durchmesser angeordnet.
Der Reaktor wird kontinuierlich von oben mit 400 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 190°C beschickt. Durch das Siebblech wird 530 Nm3/h Luft mit 48°C und 85 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe wird auf 110 cm konstant gehalten. Bei einem gelockerten Schüttgewicht von 714 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 22.2 Minuten. Die Verweilzeit zwischen zwei Stauelementschichten beträgt zwischen 0.8 und 1.3 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 58°C ab, das Gas erwärmt sich auf 165°C.
Die Gasgeschwindigkeit nimmt dabei von unten nach oben von 1.1 auf 1.0m/s ab. Die Gasgeschwindigkeit in den Stauelementschichten nimmt dabei von unten nach oben von 1.6 auf 1.5 m/s ab. Der berechnete Lockerungspunkt nimmt dabei von unten nach oben von 1.1 auf 1.2 m/s zu. Die Gasgeschwindigkeit in den Stauelementschichten ist jeweils über dem Lockerungspunkt.
Das Geschwindigkeitsverhältnis VU/(VU+VO) beträgt 0.53.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) beträgt 0.25.
Vergleichsbeispiel 1
Ein aus dem Stand der Technik bekannter runder Wirbelbettapparat mit einer Prozesskammer mit 0.3 m² Bodenfläche wird kontinuierlich mit 600 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 190°C beschickt.
Durch das Siebblech wird 2945 Nm3/h Luft mit 42°C und 50 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe im Ruhezustand wird auf 40 cm konstant gehalten.
Bei einem Schüttgewicht von 785 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 9.4 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 70°C ab, das Gas erwärmt sich auf 70°C, was in diesem Fall einer einheitlichen Betttemperatur entspricht.
Die Gasgeschwindigkeit beträgt dabei 3.4 m/s. Der berechnete Lockerungspunkt beträgt dabei 1.2 m/s zu. Die Gasgeschwindigkeit im Reaktor ist somit über dem Lockerungspunkt.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) beträgt 1.
Vergleichsbeispiel 2
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Fliessbettapparat mit Pulsator, mit einer Prozesskammer mit 0.3 m2 Bodenfläche wird kontinuierlich mit 600 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2.2 mm Durchmesser) mit 190°C beschickt.
Durch das Siebblech wird 1434 Nm3/h Luft mit 42°C und 20 mbar Überdruck zugeführt. Die Füllhöhe im Ruhezustand wird auf 20 cm konstant gehalten.
Bei einem Schüttgewicht von 785 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 4.7 Minuten.
Das Produkt kühlt auf 70°C ab, das Gas erwärmt sich auf 106°C.
Die Gasgeschwindigkeit beträgt dabei 1.7 m/s. Der berechnete Lockerungspunkt beträgt dabei 1.2 m/s zu. Die Gasgeschwindigkeit im Reaktor ist somit über dem Lockerungspunkt.
Die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) beträgt 0.76.
Vergleichsbeispiel 3
In Beispiel 1 der Patentschrift DE 27 23 549 , Gey, sind in einem Schachtreaktor mit 0.07 m2 Bodenfläche Siebe mit einer Maschenweite von 16 mm im Abstand von 10 cm angeordnet. Der Reaktor wird kontinuierlich mit 30 kg/h an PET Granulat (3 mm Länge 2 mm Durchmesser) mit 220°C beschickt.
Dem unteren Teil des Reaktors werden 46.5 Nm3/h Luft mit 240°C zugeführt. Die Füllhöhe beträgt 300 cm.
Bei einem Schüttgewicht von 760 kg/m3 beträgt die Verweilzeit 322 Minuten.
Die Verweilzeit zwischen den Sieben beträgt 11 Minuten.
Das Produkt erwärmt sich auf 238°C, das Gas kühlt auf 220°C ab.
Die Gasgeschwindigkeit beträgt dabei 0.32 m/s. Der berechnete Lockerungspunkt beträgt 1.3 m/s. Die Gasgeschwindigkeit im Reaktor ist also unter dem Lockerungspunkt.

Die Temperaturangleichung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP – TiG) beträgt 0.05. Tabelle 1

	V_Gas/m_Prod	V_Gas	Verweilzeit	Temperaturangleichung f(T)
	Nm³/h/kg/h	m/s	Min
Bsp 1	1.3	1.4	19	0.41
Bsp 2	1.1	1.3	19	0.29
Bsp 3	1.3	1.0	22	0.25
Vgl Bsp 1	4.9	3.4	9	1
Vgl Bsp 2	2.4	1.7	5	0.76
Vgl Bsp 3	1.6	0.3	322	0.05

Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass sich nach den im Stand der Technik bekannten Verfahren entweder unter Verwendung grosser Gasmengen eine rasche Temperierung erreichen lässt, was aber zu einer schlechten Temperaturangleichung führt, oder sich bei der Verwendung geringerer Gasmengen eine gute Temperaturangleichung erreichen lässt, was aber sehr lange Verweilzeiten bedingt.
Demgegenüber lässt sich mit dem relativ einfachen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine rasche Temperierung bei gleichzeitig guter Temperaturangleichung erreichen.

10: Gehäusedeckel
11: Gehäusemantel
12: Behandlungsraum
13: Einfüllöffnung für Schüttgutmaterial
14: Austragsöffnung für Schüttgutmaterial
15: Zuführeinrichtung für Behandlungsgas
16: Bodenbereich des Behandlungsraumes
17: Wegführeinrichtung für Behandlungsgas
18: Deckenbereich
19a–n: Stauelementschichten
20a–n: Stauelemente
21a–n: Behandlungsschichten
22: Verteilerraum für Gaseinlass
23: Zuführöffnung für Behandlungsgas in Verteilerraum
24: Zellradschleuse
25: Flansch im Deckenbereich
26: Trägerstruktur
27: Verdrängerkörper
28: Zufuhrleitung für Wärmeträgermedium

Claims

Vorrichtung zum Behandeln eines Schüttgutmateriales, welche aufweist: – einen Behandlungsraum (12) zur Aufnahme des Schüttgutmateriales; – mindestens eine Einfüllöffnung (13), durch die der Behandlungsraum (12) mit Schüttgutmaterial beschickbar ist; – mindestens eine Austragsöffnung (14), durch die Schüttgutmaterial aus dem Behandlungsraum (12) austragbar ist; – mindestens eine Zuführeinrichtung (15) für ein Behandlungsgas im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12); – mindestens eine Wegführeinrichtung (17) für ein Behandlungsgas im Deckenbereich (18) des Behandlungsraumes (12); – eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten (19a–n) im Behandlungsraum (12), wobei sich zwischen den Stauelementschichten eine Vielzahl von Behandlungsschichten (21a–n) befindet und die Stauelementschichten eine Durchlassfläche zwischen 40% und 98% aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine Stauelementschicht (19) im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Behandlungsraumes (12) erstreckt und dass zumindest eine der Behandlungsschichten (21) eine Höhe von weniger als 100 mm aufweist und/oder dass zumindest eine Stauelementschicht (19) mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum (12) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelementschichten (19a–n) Durchlassflächen grösser als 50%, insbesondere grösser als 60% und/oder kleiner als 90%, insbesondere kleiner als 80%, aufweisen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelementschichten (19a–n) Netze, Gitter und Roste oder eine Vielzahl individueller Staukörper umfassen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 3 und 100 Stauelementschichten (19a–n) im Behandlungsraum (12) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 5, insbesondere mehr als 10, Stauelementschichten (19a–n) im Behandlungsraum (12) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest 5 Stauelementschichten (19a–n) über den gesamten Querschnitt des Behandlungsraumes (12) erstrecken.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsraum (12) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) im Wesentlichen horizontal im Behandlungsraum (12) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 Behandlungsschichten (21a–n) eine Höhe von 10 mm bis 300 mm aufweisen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 Behandlungsschichen (21a–n) eine Höhe von mehr als 20 mm, insbesondere mehr als 30 mm aufweisen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 5 Behandlungsschichten (21a–n) eine Höhe von weniger als 200 mm, insbesondere weniger als 100 mm aufweisen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) aus einer Vielzahl einzelner Stauelemente (20a–n) besteht.
Vorrichtung gemäss Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Stauelemente (20a–n) Querschnittsflächen von 0.05 cm² bis 20 cm², insbesondere 0.07 cm² bis 1 cm² aufweisen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den einzelnen Stauelementen (20a–n) um Bleche, Stäbe, Drähte oder Rohre oder eine Kombination daraus handelt.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) aus einem Gitter oder Gewebe einzelner Drähte besteht.
Vorrichtung gemäss Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Drähte eine Dicke grösser als 2.5 mm aufweisen.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelemente (20a–n) von zumindest zwei Stauelementschichten (19a–n) versetzt und/oder verdreht zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11), der den Behandlungsraum umschliesst, zylindrisch ist.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11), der den Behandlungsraum umschliesst, zumindest teilweise konisch ist.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (11), der den Behandlungsraum umschliesst, rotationssymmetrisch ist.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Behandlungsraum (12) ein Verdrängerkörper (27) befindet.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12) ein konischer Auslaufbereich befindet.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Bodenbereichs (16) des Behandlungsraumes (12) nach unten durch eine Absperreinrichtung, die eine Durchlassfläche zwischen 1% und 30% aufweist, begrenzt wird.
Vorrichtung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich oberhalb der mindestens einen Zuführeinrichtung (15) eine weitere Zuführeinrichtung für ein Behandlungsgas im Behandlungsraum (12) befindet.
Verfahren zur kontinuierlichen, thermischen Behandlung eines Schüttgutmateriales in einer Vorrichtung, welche aufweist: – einen Behandlungsraum (12) zur Aufnahme des Schüttgutmateriales; – mindestens eine Einfüllöffnung (13), durch die der Behandlungsraum (12) mit Schüttgutmaterial beschickbar ist; – mindestens eine Austragsöffnung (14) durch die Schüttgutmaterial aus dem Behandlungsraum (12) austragbar ist; – mindestens eine Zuführeinrichtung (15) für ein Behandlungsgas im Bodenbereich (16) des Behandlungsraumes (12); – mindestens eine Wegführeinrichtung (17) für ein Behandlungsgas im Deckenbereich (18) des Behandlungsraumes (12); – eine Vielzahl von übereinander angeordneten Stauelementschichten (19a–n), die sowohl vom Behandlungsgas, wie auch vom Schüttgutmaterial durchströmt werden können, die im Behandlungsraum (12) angeordnet ist, wobei sich zwischen den Stauelementschichten eine Vielzahl von Behandlungsschichten (21a–n) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Stauelementschicht (19) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Verfahren gemäss Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Stauelementschichten (19a–n) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases zwischen 10% und 150%, insbesondere zwischen 20% und 75% über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht (21) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Verfahren gemäss Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest 5 Behandlungsschichten (21a–n) über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 28–29, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases zwischen 1% und 100%, insbe sondere zwischen 2% und 50%, über dem Lockerungspunkt des Schüttgutmaterials liegt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Verweilzeit in einer Behandlungsschicht (21) zwischen 0.05 und 10 Minuten, insbesondere mehr als 0.1 Minuten und weniger als 5 Minuten, beträgt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stauelementschicht (19) mittels einer trennbaren Verbindung im Behandlungsraum (12) angeordnet ist.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite aufweisen, die 4 bis 40 Mal grösser ist als der durchschnittliche Schüttgutpartikeldurchmesser.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate mit einem mittleren Durchmesser von 0.4 mm bis 5 mm handelt und die Stauelementschichten eine Durchgangsbreite von 4 mm bis 50 mm aufweisen.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Partikel, insbesondere Granulate, eines Polykondensates, wie zum Beispiel Polyamid, Polyester, Polykarbonat, Polylactid, Polyhydroxyalkanoat oder deren Copolymere oder Mischungen, insbesondere Polyethylenterephthalat oder eines seiner Copolymere handelt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases zwischen 0.5 und 4 m/s, insbesondere zwischen 0.7 und 2 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schüttgutmaterial um Granulate mit einem mittleren Durchmesser von 1.4 mm bis 5 mm handelt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht zwischen 0.7 und 4 m/s, insbesondere zwischen 0.8 und 2 m/s, Leerrohrgeschwindigkeit beträgt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im unteren Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VU besitzt und dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes einen Wert VO besitzt, wobei sich VU und VO nicht wesentlich unterscheiden und über die Beziehung VU/(VU+VO) = 0.33 bis 0.67, insbesondere, VU/(VU+VO) = 0.39 bis 0.61, zueinander in Beziehung stehen.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutmaterial den Behandlungsraum von oben nach unten durchströmt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im Bodenbereich des Behandlungsraumes zwischen 0.7 m/s und 2 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt und die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases in zumindest einer Behandlungsschicht im oberen Bereich des Behandlungsraumes zumindest um 20% grösser ist und zwischen 1.5 m/s und 4 m/s Leerrohrgeschwindigkeit beträgt.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandlungsgas eine Eintrittstemperatur TiG und eine Austrittstemperatur TaG aufweist, dass das Schüttgutmaterial eine Eintrittstemperatur TiP und eine Austrittstemperatur TaP aufweist und die thermische Behandlung derart erfolgt, dass sich TaP im Wesentlichen an TiG angleicht und dass sich TaG im Wesentlichen an TiP angleicht, wobei die Beziehung (TiP + TaP – TiG – TaG)/(TiP-TiG) kleiner als 0.5, insbesondere kleiner als 0.4, erfüllt wird.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 25 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung gemäss zumindest einem der Ansprüche 1 bis 24 ausgeführt ist.