F10 - Lehrstuhl für Technische Chemie - Ruhr

Ruhr-Universität Bochum
Lehrstuhl für Technische Chemie
Fortgeschrittenen - Praktikum "Technische Chemie"
Versuch F10:
Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
Versuchsanleitung
und
Betriebsanweisung
Betreuer: Dipl.-Chem. J. Aßmann / Wei Xia
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
1
1. Einführung
Das einer Wirbelschicht zugrunde liegende Verfahrensprinzip der Fluidisation besteht darin, daß eine
Schüttung von Feststoffpartikeln (Abb. 1) durch einen aufwärts gerichteten Fluidstrom in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt wird, sobald die auf den freien Gefäßquerschnitt bezogene Fluidgeschwindigkeit u einen Grenzwert umf erreicht. In diesem "fluidisierten Zustand" werden die Feststoffteilchen durch den Gasstrom in Schwebe gehalten, d.h. die Schicht läßt sich wie eine Flüssigkeit rühren, in die Schicht eingebrachte spezifisch schwerere Objekte versinken, spezifisch leichtere schwimmen auf. Eine derartige Wirbelschicht, auch als Wirbelbett oder Fließbett - englisch fluidized bed oder
fluid bed - bezeichnet, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlust des Fluids beim Durchströmen
der Schicht gleich dem um den Auftrieb verminderten Gewicht der Schüttung pro Flächeneinheit des
Bettquerschnitts ist.
Bei Steigerung der Fluidgeschwindigkeit u über den "Lockerungspunkt" kennzeichnenden Wert umf
hinaus beginnt bei der Fluidisation mit einer Flüssigkeit eine gleichmäßige Expansion der Schicht,
während bei der - technisch weitaus bedeutsameren und im folgenden ausschließlich behandelten Fluidisation mit einem Gas die Bildung praktisch feststofffreier Gasblasen einsetzt. Die Blasen koaleszieren, so daß mit zunehmender Höhe über dem Gasverteilerboden die mittlere Blasengröße rasch zunimmt. Bei engen Wirbelschichtgefäßen füllen die Blasen bald den gesamten Querschnitt aus und
durchlaufen die dann "stoßende" Wirbelschicht (engl. slugging bed) als eine Folge von Gaskolben. Bei
sehr hohen Gasgeschwindigkeiten schließlich sind keine einzelnen Blasen mehr unterscheidbar; ebenso
ist keine definierte Schichtoberfläche mehr zu erkennen. Derartige hochexpandierte oder
"zirkulierende" Wirbelschichten lassen sich wegen des hohen Feststoffaustrags nur durch ständige Rezirkulation des Feststoffs über einen Rückführzyklon aufrechterhalten.
Abbildung 1: Wirbelschichtzustände
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
2
Umsetzungen gas/fest und heterogen katalysierte Gasreaktionen werden vor allem dann in Wirbelschichten durchgeführt, wenn die ablaufenden Reaktionen stark exotherm sind. Bedingt durch die
konvektiven Mischvorgänge der Feststoffpartikel in solchen Wirbelschichten kann die entstehende
Wärmemenge/Zeiteinheit über Wärmeaustauscher gut abgeführt werden. Kenntnisse zum Wärmeübergang in Gaswirbelschichten sind daher von reaktionstechnischem Interesse; am vorliegenden Versuchsaufbau - einer Wirbelschicht (Luft/Sand) im Labormaßstab - werden Druckverluste und Wärmeübergangszahlen in Abhängigkeit vom eintretenden Gasvolumenstrom gemessen.
2. Aufgabenstellung
1. Messung des Druckverlustes einer von Luft durchströmten Sandwirbelschicht im Bereich des Wirbelpunktes mit zu- und abnehmender Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Die Reynoldszahlen sind
anzugeben.
2. Bestimmung der Lockerungsgeschwindigkeit.
3. Messung der Wärmeübergangszahl in der Wirbelschicht für denselben Geschwindigkeitsbereich.
3. Theoretische Grundlagen
3.1 Anwendung des Wirbelschichtverfahrens
Die Anwendungen des Wirbelschichtverfahrens lassen sich in zwei Bereiche unterteilen: physikalische
Prozesse und chemische Reaktionen.
Physikalische Prozesse. Die physikalischen Prozesse sollen im folgenden nur kurz erwähnt werden.
Man unterscheidet zwischen drei physikalischen Verfahren:
1. Rein mechanischen Verfahren, z.B. das Mischen oder Fördern
2. Verfahren mit Wärmeübergang, wie das Erwärmen oder Abkühlen
3. Prozeß mit Wärme- und Stoffübergang, z.B. Trocknen/Befeuchten oder Adsorbieren/Desorbieren
Chemische Reaktionen. Die chemischen Reaktionen lassen sich in nach der Funktion des Feststoffes in
drei Gruppen unterteilen. Hierbei kann der Feststoff als Wärmeträger, als Katalysator oder als Reaktionsteilnehmer fungieren.
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
3
1. Feststoff als Wärmeträger. Die Anwendung des Feststoffs als Wärmeträger wird bei stark exo- oder
endothermen Reaktionen in Betracht gezogen, um große Wärmemengen zu- oder abzuführen. Das bekannteste Beispiel hierfür ist das thermische Cracken von Kohlenwasserstoffen.
2. Feststoff als Reaktionsteilnehmer. Dieser Prozeß unterscheidet sich von den bisher genannten Anwendungen dadurch, daß der Feststoff abreagiert. Daher ändert sich der Partikeldurchmesser des zugeführten Feststoffs mit fortschreitender Reaktion. Als technische Beispiele sind die Kohlefeuerung, die
Kohlevergasung oder die Verbrennung von Klärschlämmen zu nennen.
3. Feststoff als Katalysator. Diese Verfahrensführung wird hauptsächlich auf dem Gebiet stark exothermer, heterogen katalysierter Synthesereaktionen gewählt. Wirbelschichtreaktoren werden für diese Reaktionen wegen der hohen Anforderungen an die Temperaturkonstanz bevorzugt. Bei zu hohen Temperaturen besteht die Möglichkeit einer Explosion, die Ausbeute zu dem gewünschten Produkt kann durch
auftretende Nebenreaktionen vermindert oder Hot-Spots können zur Desaktivierung eines normalerweise stabilen Katalysator führen. Temperaturkonstanz ist besonders schwer in einem Festbettreaktor
zu gewährleisten, weil Synthesereaktionen generell sehr stark exotherm sind. Bedingt durch die
schlechte Charakteristik für den Wärmeaustausch sind in diesen Reaktoren große Wärmeaustauschflächen oder die Verdünnung des Edukts notwendig. Einige ausgewählte Beispiele der Anwendung von
Wirbelschichtreaktoren für katalytische Reaktionen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1: Kommerzielle katalytische Wirbelschichtreaktoren zur chemischen Synthese
Jahr
1945
1955
1956
1960
1961
1965
1970
1977
1984
1984
Produkt/Reaktion
PSA
Fischer-Tropsch
Vinylacetat
Acrylnitril
Ethylendichlorid
Chlormethan
MSA
Polyethylen
Polypropylen
O-Kresol/2,6 Xylenol
Prozeß
Shervin-Williams-Badger
Kellog, Sasol
Nihon Gosei
Sohio
Monsanto
Asahi Chemical
Mitsubishi Chemical
Union carbide
Mitsubishi Petrochemical
Ashai Chemical
Reaktor *
WSR
ZWS
WSR
WSR
WSR
WSR
WSR
BBR
BBR
WSR
WSR: Wirbelschichtreaktor mit kleinem Partikeldurchmesser
ZWS: Zirkulierende Wirbelschicht
BBR: Bubbling-bed Reaktor mit großen Partikeln
3.2 Vor- und Nachteile von Wirbelschichtreaktoren
Die Vor- und Nachteile von Wirbelschichtreaktoren gegenüber anderen Reaktionssystemen können wie
folgt zusammengefaßt werden:
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
4
Vorteile
1. Flüssigkeitsähnliches Verhalten und dadurch leichter Transport von Feststoff und Wärme. Die Feststoffe können den Reaktor kontinuierlich passieren. Die Fließfähigkeit des Feststoffes kann zu dessen
einfachem Austausch und im Fall des Katalysators zu dessen Regenerierung benutzt werden.
2. Infolge eines ausgezeichneten Wärmeaustauschs Gas/Teilchen und Teilchen/Wärmeaustauschfläche
sowie einer hohen Wärmekapazität und der Vermischung des Feststoffs in jeder Richtung zeichnet sich
die Wirbelschicht durch hervorragende Temperaturkonstanz aus. Große Wärmeübergangskoeffizienten
spiegeln sich in kleinen Wärmeaustauschflächen wieder.
3. Die Wirbelschichttemperatur läßt sich durch Änderung der Wärmezufuhr bzw. der Wärmeabfuhr unter Beherrschung hoher Temperaturgradienten Teilchen/Gas leicht regeln.
4. Die gesamte Teilchenoberfläche nimmt am Austausch Gas/Feststoff teil. Die Widerstände für Stoffund Wärmetransport zwischen Gas und Partikeln sind klein im Vergleich zu denjenigen anderer Systeme (keine Transportlimitierung). Intensive radiale und axiale Feststoffvermischung führt zu einer
gleichmäßigen Bettzusammensetzung.
5. Der Druckverlust der Wirbelschicht ist praktisch unabhängig vom Gasdurchfluß.
6. Der Wirbelschichtreaktor ist konstruktiv einfach und benötigt im Reaktor selbst keine beweglichen
Teile.
7. Anfahr- und Abstellzeiten sind kurz, die Prozeßregelung über eine Durchsatzkontrolle ist schnell.
8. Wirbelschichtreaktoren haben niedrige Investitionskosten und sind geeignet für große Betriebseinheiten .
Nachteile
1. Hohe Gasdurchsätze oder kleine Feststoffkorngrößen führen zu starkem Feststoffaustrag (sog.
"entrainment"). Starke Bettbewegung bringt Erosionsgefahr und Teilchenbruch bzw. -abrieb mit sich.
2. Feststoffe, die beim Aufheizen auf Reaktionstemperatur Erweichungspunkte durchlaufen, neigen
zum Sintern oder zu unkontrollierbarem Kornaufbau im Bett.
3. Die Teilchengröße des Feststoffs muß innerhalb bestimmter Bereichsbreiten liegen und eine geeignete Kornverteilung aufweisen, um z.B. übermäßigen Austrag zu verhindern.
4. Ein Gegenstrom von Gas und Feststoff ist nur durch eine Mehrstufenanordnung erzielbar, wodurch
die ungleiche Feststoffverweilzeitverteilung einer einstufigen Schicht korrigiert wird.
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
5
5. Schlechte radiale Gasvermischung und Bypass des Wirbelgases durch die Blasen führen zu einer
weiten Verweilzeitverteilung des Anströmgases und zur Verminderung des Umsatzes im Vergleich zu
Strömungsrohrreaktoren.
6. Wirbelschichtreaktoren sind schwierig auf große Betriebsmaßstäbe zu vergrößern.
7. Eine Rückvermischung des Gases durch poröse Feststoffe kann die Reaktionsausbeute beeinträchtigen, besonders wenn hohe Selektivität zu einem Zwischenprodukt angestrebt wird.
8. Schnelle Vermischung von Partikeln führt zu einer uneinheitlichen Verweilzeit des Feststoffes im
Reaktor.
3.3 Problemfelder bei der Auslegung einer technischen Wirbelschichtanlage
Während die Wirbelschicht vom Prinzip her ein sehr einfaches System ist, besteht eine technische Wirbelschicht aus mehreren Komponenten (Abb. 2), deren Auslegung und deren Zusammenfügen zu einer
im praktischen Betrieb ohne Störungen arbeitenden Anlage im allgemeinen ein hohes Maß an praktischer Erfahrung erfordert. Bei der Auslegung einer Wirbelschichtanlage lassen sich mehrere Problemfelder unterscheiden: unter dem Begriff Strömungsmechanik sind hier zunächst Aussagen über den hydrodynamischen Wirbelschichtzustand unter den Bedingungen des Prozesses zu verstehen. Hierzu
gehören aber auch Informationen über das Verhalten des Feststoffes, über Eintrag und Austrag des
Feststoffes sowie über Veränderungen der Korngrößenverteilung während des Betriebes, sei es durch
Abrieb der Teilchen oder durch Agglomerationseffekte. Die Auslegung von Gasverteilung und Gasreinigung gehört ebenfalls unter den Oberbegriff Strömungsmechanik.
Abbildung 2: Problemfelder bei der Auslegung einer technischen Wirbelschichtanlage
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
6
Weitere zentrale Aspekte der Anlagenauslegung sind der Wärmeaustausch zwischen der Wirbelschicht
und darin eintauchenden Heiz- oder Kühlflächen, der Wärme- und Stoffaustausch zwischen Gas und
Feststoff und - im Falle chemischer Reaktionen - die Reaktionstechnik mit ihren Fragen nach Umsatz
und Selektivität. Im folgenden werden nur die Strömungsmechanik und der Wärmeaustausch näher behandelt.
3.4 Strömungsmechanik der Wirbelschicht
Der Wirbelzustand wird erreicht, wenn die Widerstandskraft der Gasströmung auf das Schüttgut dem
Gewicht der Summe der Einzelteilchen entspricht. Dann gilt:
p  F0 = F0HL (1- L) ( K- G) g
(1)
mit
p = Druckverlust der Gasströmung (N m-2)
F0 = Querschnittsfläche des leeren Wirbelschichtschachtes (m2)
H = Höhe der Wirbelschicht (m)
L

K
G
g
=
=
=
=
=
Index für Lockerung
Zwischenkornvolumen = VZwischenkornvolumen/VGesamt
Dichte des Feststoffkorns (incl. Poren) (kg.m-3)
Dichte des Wirbelgases bei Wirbelbedingungen (kg.m-3)
Gravitationskonstante (m s-2)
Der Druckverlust für eine Wirbelschicht beträgt somit
p = HL (1-) (K- G) g
(2)
Die Lockerungsgeschwindigkeit uL (m s-1), bezogen auf das Leerrohr, erhält man graphisch aus dem
Schnittpunkt der Druckverlustlinie der Wirbelschicht und der Druckverlustlinie des Schüttgutes, unterhalb des Lockerungspunktes mit fallender Geschwindigkeit gemessen (siehe Abbildung 2).
Theoretisch läßt sich die Lockerungsgeschwindigkeit mit den Beziehungen (3) und (4) berechnen
(Herleitung siehe /2/).
Für kleine Teilchen beträgt
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
uL 
d K2  g    K   G 
1650    G
7
Re < 20
(3)
Re > 1000
(4)
und für große Teilchen
u L2 
d K  g   K   G 
24.5   G
dK = Teilchendurchmesser (m)
uL = Lockerungsgeschwindigkeit (m s-1)
 = Kinematische Zähigkeit (m2 s-1)
Andere Möglichkeiten, die Lockerungsgeschwindigkeit zu berechnen, sind in Lit./1,2/ angegeben.
Die Abhängigkeit des Druckverlustes von der Gasgeschwindigkeit für eine Sandwirbelschicht ist in
Abb. 3 wiedergegeben.
Abbildung 3: Druckverlust in Abhängigkeit der Gasgeschwindigkeit u0 für eine Sandwirbelschicht
(nach Lit. /2/)
3.5 Wärme- und Stoffübergang
Wie bereits angesprochen, zeichnet sich ein Wirbelschichtreaktor durch hohe Wärmeübergangszahlen
zwischen Wirbelschicht und Wand bzw. eintauchenden Wärmetauschern aus. Für die Konstruktion des
Reaktors ist es wichtig, über den Wärmeaustausch zwischen Wirbelschicht und Umgebung genaue Informationen zu haben. Somit kann die Wärmeaustauschfläche bestimmt werden, die notwendig ist, um
einen Wirbelschichtreaktor effektiv und sicher zu betreiben. Der Wärmestrom Q zwischen einer Wand
und der Wirbelschicht ist gegeben durch
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
Q = (hw)m Fm Tm
[J/s]
(hw)m = mittlere Wärmeübergangszahl (W/m2 K)
Fm
= mittlere Austauschfläche (m2)
Tm = mittlere Temperaturdifferenz (K).
8
(5)
Die Wärmeübergangszahl wird zweckmäßigerweise experimentell bestimmt, weil sie sehr stark von
den Eigenschaften des Wirbelgases, des Feststoffkorns und der Wirbelschicht abhängt. Abb. 4 zeigt den
typischen Verlauf der Wärmeübergangszahl, hw Wirbelschicht/Wand.
Abbildung 4: Typischer Verlauf des Wärmeübergangskoeffizienten Wirbelschicht/Wandfläche mit
steigender Wirbelgeschwindigkeit /2/.
Starken Einfluß bei der experimentellen Ermittlung der Wärmeübergangszahl haben die im Wirbelbett
gebildeten Gasblasen, weil an diesen Stellen Inhomogenitäten des Wirbelbettes vorliegen.
4. Versuchsbeschreibung
4.1 Versuchsapparatur
Die Versuchsapparatur (s. Abb. 5) besteht aus der Wirbelschichtanordnung, dem Speisegerät zur Energieversorgung einer Heizpatrone und dem Luftzufuhrsystem. An der in der Wirbelschicht befindlichen
Heizpatrone und in ca. 2 cm Entfernung auf gleicher Höhe befinden sich je ein Thermoelement; die beiden Thermoelemente aus CrAl/Al sind gegeneinander geschaltet, so daß man über einen mV- Schreiber
die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoelementen mißt. Die Heizleistung der Patrone
wird mit dem Speisegerät, auf dem sich eine Spannungs- und Stromanzeige befindet, eingestellt. Zur
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
9
Messung des Druckverlustes in der Wirbelschicht dienen die beiden Druckmeßsonden in der Schicht,
die über ein mit Wasser gefülltes U-Rohrmanometer verbunden sind. Die Luftzufuhr erfolgt über ein
Dosierventil und einen Schwebekörperströmungsmesser.
Abbildung 5: Schematische Darstellung der Versuchsapparatur
4.2 Versuchsdurchführung
Zur Messung des Druckverlustes in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit wird zunächst das Dosierventil langsam geöffnet. Dabei ruht der Sand zunächst als Festbett in der Anordnung; nach weiterer
Steigerung der Gaszufuhr wird der Lockerungspunkt erreicht; die Gaszufuhr wird schließlich so weit
gesteigert, daß für die Leerrohrgeschwindigkeit in der Anordnung der ca. 4-fache Wert der Geschwindigkeit am Lockerungspunkt erreicht wird; die Messung wird in umgekehrter Richtung mit abnehmender Leerrohrgeschwindigkeit bis in den Festbettbereich hinein wiederholt.
Zur Messung der Wärmeübergangszahl in Abhängigkeit von der Leerrohrgeschwindigkeit wird am
Speisegerät ein Spannungswert von ca. 6.5 Volt eingestellt. Die über einen Schreiber gemessene
Thermospannungsdifferenz dient zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoelementen (0.041 mV/°C).
F10-Wärmeübergang in Gaswirbelschichten
10
5. Auswertung
Die gemessenen Druckverluste und Wärmeübergangszahlen werden als Funktion der logarithmisch aufgetragenen Leerrohrgeschwindigkeit dargestellt. Der Teilchendurchmesser des im Wirbelbett benutzten
Sandes beträgt 100-200 µm.
 Wirbelschichtreaktor: 14 cm
 Heizpatrone: 2 cm
Länge Heizpatrone: 11,4 cm
6. Literatur
1) Patat, F., Kirchner, K.: Praktikum der Technischen Chemie, Verlag de Gruyter, Berlin 1975,
S. 20 - 30
2) L. Reh, Ullmanns Enzyklopädie, Bd. 3, 4. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim, 1973, S.433-460
Weiterführende Literatur:
3) D. Kunii und O. Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann, London, 1991.
7. Sicherheitshinweise
Es gilt die allgemeine Laborordnung. Insbesondere sind das Eß-, Trink-, Rauch- und Schminkverbot im
Labor einzuhalten. Während der Arbeiten im Labor ist ein Kittel und beim Umgang mit Gefahrstoffen
eine Schutzbrille zu tragen. Darüber hinaus sind bei der Durchführung dieses Versuchs keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen zu beachten. Ein Verstoß gegen die Laborordnung kann zum Ausschluß
vom Praktikum führen.