Die vorliegende Erfindung betrifft Vortex-Reaktoren und insbesondere ein verbessertes Verfahren und einen verbesserten Apparat zur Steigerung der Prozeßreaktion zwischen Gasen und Reaktanten (in Form von Partikeln oder Flüssigkeitströpfchen) und Fernhalten des Gemisches von Kontakt mit den Wänden des Vortex-Reaktors, wobei die genannten Reaktoren konventionell bestehen aus

- einer Trennwand im Gaseintrittskanal zur Teilung des Gasstroms in einen ersten Gasstrom und einen zweiten Gasstrom;

- einem Reaktorgehäuse mit einer Umfassungswand, die eine längliche hauptsächlich zylindrische Vortex-Kammer bildet und ein Eintrittsende in einem oberen Teil und ein Austrittsende in einem unteren Teil aufweist;

- einem ersten Eintrittskanal, der mit einem Eintritt am oberen Ende des Reaktorgehäuses zur Einleitung des ersten Gasstroms in die Vortex-Kammer verbunden ist;

- einem Fluidinjektor am oberen Ende des Reaktorgehäuses zur Einleitung eines Fluidstroms in den ersten Gasstrom in der Vortex-Kammer und

- einem Austrittskanal am Austrittsende des Reaktorgehäuses für den kontinuierlichen Abzug von Gas aus der Vortex-Kammer.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Vermischung eines Fluidstroms mit einem Gasstrom unter Anwendung eines Vortex-Reaktors, der ein Reaktorgehäuse, das eine Vortex-Kammer mit einer hauptsächlich zylindrischen Umfassungswand bildet, ein Eintrittsende und ein Austrittsende aufweist, wobei

- ein Gasstrom zumindest in einen ersten und einen zweiten Gasstrom geteilt wird;

- der erste Gasstrom durch einen Eintrittskanal in die Vortex-Kammer am oberen Ende des Reaktorgehäuses geleitet wird;

- ein Fluidstrom in die Vortex-Kammer am oberen Ende des Reaktorgehäuses zur Vermischung des Fluidstroms mit dem ersten Gasstrom geleitet wird, und

- Gas kontinuierlich aus der Vortex-Kammer durch das Austrittsende abgezogen wird.

Reaktionen zwischen Gasen und Partikeln oder Schlammtröpfchen sind allgemein in vielen Industrieprozessen. In vielen Fällen sind die Partikeln oder Schlammtröpfchen klebrig und verursachen Probleme, weil sie sich im Verlaufe der Reaktion und Prozessierung durch den Reaktor an den Reaktorwänden festsetzen können. Ein bisherige Art, dieses Problem zu reduzieren oder eliminieren besteht darin, sehr große Reaktionsbehälter vorzusehen, um die Ablagerung von klebrigen Partikeln an den Reaktorwänden zu verhindern. Einer anderen Methode zufolge wird sehr viel Energie zur Zerstäubung des Schlamms zugeführt, um die Ablagerung von Feststoffen zu verhindern.

Die derzeitigen Trocknungsprozesse zur Rauchgasentschwefelung mit zerstäubtem Kalkschlamm erfordern viel Energie zur Zerstäubung des Schlamms oder einen langen Reaktionsbehälter, um zu verhindern, daß sich die klebrigen Schlammpartikeln an der Reaktorwand ablagern und die Reaktorkanäle zusetzen.

Daher ist es wünschenswert, dar ein verbesserter Reaktorbehälter und Prozeß verfügbar sind zur Kontrolle der Reaktion zwischen den Gasen und Reaktanten (in Form von Partikeln oder Flüssigkeitströpfchen), die verhindern, daß sich die Partikeln an den Behälterwänden festsetzen.

Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Reaktionsbehälter und Prozeß zur Kontrolle der Reaktion zwischen Gasen und Reaktanten (in Form von Partikeln oder Flüssigkeittröpfchen) vorzusehen, um zu verhindern, daß sich die Partikeln an den Behälterwänden festsetzen.

Gemäß der primären Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Vortex-Reaktor versehen mit

- einer Ringammer, die die Umfassungswand am Eintrittsende des Reaktorgehäuses umgibt;

- einem zweiten Eintrittskanal zur Einführung des zweiten Gasstroms in die Ringkammer, welche Ringkammer einen Strömungspfad für den zweiten Gasstrom bildet und

- axial die Umfassungswand entlang und winkelmäßig daran rundherum angeordneten Eintrittsöffnungen zur Einführung des zweiten Gasstroms aus dem ringförmigen Gehäuse in die Vortex-Kammer, welche Eintrittsöffnungen sich stromabwärts vom Eintritt befinden und ein Leitblech zur Leitung des zweiten Gasstroms tangential in die Vortex-Kammer aufweisen. Der erfindungsgemäße Prozeß besteht aus

- der Einführung des zweiten Gasstroms in eine Ringkammer, die die Umfassungswand am Eintrittsende des Reaktorgehäuses umgibt;

- der Einführung von Gas aus dem zweiten Gasstrom in das Ringgehäuse durch eine Vielzahl axial die Umfassungswand entlang und winkelmäßig daran rundherum angeordneter Öffnungen in die Vortex-Kammer und Leitung des genannten zweiten Gasstroms in besagte Öffnungen mit Leitblechen, damit er tangential in die Vortex-Kammer fließt, um eine hauptsächlich kreisförmige Gas Strömung in der Vortex-Kammer zu erzeugen.

Die obige und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigt

Fig. 1 eine vertikale Seitenansicht mit schematischer Darstellung eines mehrstufigen Vortex-Reaktors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht in Schnitt mit schematischer Darstellung der Gasströmung und Eintrittsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine geschnittene Draufsicht mit schematischer Darstellung der Gasbewegung im Reaktor gemäß der Ausführungsform von Fig. 2;

Fig. 4 eine Sicht wie Fig. 2 einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 eine Sicht wie Fig. 3 der Ausführungsform von Fig. 4;

Fig. 6 eine teilweise vertikale Seitenansicht in Schnitt, mit Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine Sicht wie Fig. 3 der Ausführungsform von Fig. 6; und

Fig. 8 eine Sicht entlang Linie VIII-VIII von Fig. 6.

Fig. 1 der Zeichnungen stellt schematisch einen mehrstufigen Vortex-Reaktor gemäß der vorliegenden Erfindung dar, der im allgemeinen durch die Nummer 10 gekennzeichnet ist. Der Reaktor besteht aus einem länglichen zylindrischen ersten Gehäuse 12, das einen Reaktor mit einer Vortex-Kammer 15 bildet, der einen Eintritt 14 am oberen Ende und einen Austrittskanal 16 am unteren Ende aufweist. Am oberen oder dem Eintrittsende 11 des Reaktors ist ein erster Reaktorgas-Eintrittskanal 18 zur Einführung eines ersten Gasstroms vorgesehen.

In Fig. 2 tritt der erste Gasstrom 45 durch den Eintrittskanal 18 mit einem Tangens in die kreisförmige Öffnung des Eintritts 14 im oberen Ende der Vortex-Karnrner ein, und hat zur Folge, daß die Eintrittsgase entgegen der Uhrzeigerrichtung verwirbelt werden. Wie in Fig. 2 ebenfalls dargestellt ist, ist ein zweiter Gaseintrittskanal 20 zur Einführung eines zweiten Gasstroms 47 in eine Ringkammer 22 vorgesehen, die durch ein ringförmiges Gehäuse 24 gebildet wird, das das Eintrittsende des Reaktorgehäuses umschließt. Die durch das Außengehäuse 24 gebildete Ringkammer 22 trägt den zweiten Gasstrom in einer Wirbelbewegung rund um die Außenwand des Reaktorgehäuses 12, entgegen dem ersten Eintrittsstrom. Der zweite Gasstrom 47 steht in Wärmetauschkontakt mit der Umfassungswand 13 der Vortex-Kammer und erwärmt sie oder kühlt sie ab. Auch der zweite Strom fließt axial den Reaktor entlang, wobei er durch die Eintrittsöffnungen 26, 28 und 30 in den Reaktor eintritt.

Diese Eintrittsöffnungen sind am Umfang rundherum und axial die umfassende Seitenwand 17 entlang, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, auf solche Weise abgestuft, daß das Gas vor dem Eintritt ins Gehäuse den Reaktor entlang und um ihn herum fließt. Die Eintrittsöffnungen für den zweiten Gasstrom haben den Eintrittswinkel steuernde Vorrichtungen in Form von auswärts abstrebenden Leitblechen oder Prallflächen 32, 34 und 36, die das Gas in einem bestimmten tangentialen Winkel in die Vortex-Kammer einführen, so daß es mindestens um einen Teil der Innenwände der Vortex-Kammer herumzufließt, was hilft, die äußere Bewegungsgeschwindigkeit von Feststoff- oder Schlammpartikeln innerhalb der Reaktorkammer zu kontrollieren. Zusätzlich führt der zweite Gasstrom Wärme zur Umfassungswand ab und erhöht die Wandtemperatur, was eine Ablagerung von klebrigen Partikeln oder Flüssigkeitströpfchen an der Wand verhindert.

Ebenfalls in Fig. 1 leitet ein Fluidinjektor 38 am mittleren Eintritt der Vortex-Kammer Fluidflüssigkeit oder Schlamm aus einer geeigneten Quelle durch einen Stutzen 40 in die Kammer ein. Dieser Schlamm wird vermischt mit und mitgeführt vom ersten Gasstrom, der durch den Eintrittskanal 18 in die Vortex-Kammer eintritt und entgegen dem Uhrzeigersinn in der Kammer fliegt. Andere Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffpartikeln können auch an dieser Stelle der Kammer zugeführt werden. Der Begriff "Fluid" schließt Gase und Flüssigkeiten ein, die Feststoffpartikeln enthalten oder nicht enthalten können. Der zweite Gasstrom, der in die Kammer eintritt, wird an der Außenfläche der Kammer eingeführt und fließt die Wand (Fig. 3) entlang in der entgegengesetzten Richtung, und hält den ersten Strom und die klebrigen Schlammpartikeln von der Innenfläche der Wand fern, bis die Partikeln getrocknet sind und sich hauptsächlich zum Reaktorboden hin bewegen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, erzeugen die in entgegengesetzten Richtungen fließenden Ströme kleine Wirbel dazwischen, wenn sie die Reaktorkammer entlang fließen. Dieser Anordnung mit entgegengesetzten Strömungen verhindert, daß klebrige Flüssigkeits- oder Schlammtröpfchen die Reaktorwand erreichen.

Am Boden des Reaktors sind ein Feststoffauslaß 16 (Fig. 1) und ein Gasabzugskanal 42 für den Abzug von gereinigtem Gas aus dem Strom vorgesehen. Aus den Gasen abgeschiedene Feststoffe fallen auf den Reaktorboden und werden durch einen geeigneten Drehschieber 46 im Feststoff-Austrittskanal 16 abgeleitet, wie dargestellt ist.

Eine Regelklappe 48 und eine Trennwand 44 im Austrittskanal regulieren das Verhältnis der Volumen der Eintrittsgase 45, 47 zwischen den Eintrittskanälen 18 und 20. Wenn die Regelklappe in der nicht drosselnden Stellung ist, ist die Verteilung der Strömung proportional zur Weite des betreffenden Kanals. Wenn sich die Regelklappe in einer Drosselstellung teilweise quer über den Strömungskanal befindet, nimmt die Strömung im Kanal 20 ab und die im Kanal 18 proportional zur Begrenzung zu. Somit kann die Regelklappe zur Einstellung der Strömungsverteilung zwischen dem ersten und zweiten Gasstrom 45 und 47 in einem bestimmten Verhältnis zur Optimierung der Reaktionen als auch des Fluidvermischungsbilds im Reaktor benutzt werden.

Dieser Konstruktion und und dieser Prozeß verbessern die Vermischung der in die Kammer eingeführten Gase und Schlammtröpfchen und Feststoffpartikeln. Der Prozeß erzeugt eine starke Verwirbelung des Gases und verlängert die Kontakt- und Verweilzeit des Reaktanten und verhindert, daß klebrige Partikeln die Reaktorwände erreichen.

Bei anderen Anwendungen, wo Reaktanten nach der Vollendung der Reaktion zurückgewonnen werden sollen, wird es vorgezogen, beide Gasströme in der gleichen Richtung im Reaktor wirbeln zu lassen. In Fig. 4, wo die gleichen Nummern die gleichen Bauteile gekennzeichnen und Modifikationen durch die gleichen Nummern mit einem Apostroph gekennzeichnet sind, ist eine Strömungsanordnung dargestellt, wobei der Gasstrom aus den beiden Gaseintrittskanälen die gleiche Richtung hat. Bei dieser Lösung mündet der erste Einrittskanal 18' in der kreisförmigen Öffnung des Eintritts 14 der Vortex-Kammer auf derselben Seite wie der zweite Kanal 20. Somit fließen der erste und zweite Strom gemeinsam in der Uhrzeigerrichtung mit weniger Turbulenz als in Fig. 5 dargestellt. Diese Lösung begünstigt die radiale Bewegung der Partikeln für deren Austragung am Reaktorboden.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wo ein Hauptgehäuse 50, wie bei den vorangehenden Ausführungsformen eine Vortex-Kammer 52 bildet, in die Gase u.dgl. eingeführt werden. Die Vortex-Kammer hat einen ersten Eintritt 54, durch den ein erster Gasstrom eingeführt wird, mit einem Flüssigkeits- oder Schlamminjektor 56 zur Einführung von Flüssigkeit oder d.gl. in den Strom. Der untere oder Bodenabschnitt des Reaktors ist wie bei den vorigen Ausführungsformen konstruiert. Ein Außengehäuse 58 bildet eine Ringkammer 60 wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen.

In Fig. 7 wird ein Gasstrom durch einen Kanal 62 eingeführt, der in Kanal 64 und 66 geteilt ist, wobei der erste Kanal Gase zum Eintritt 54 führt und der zweite Gas in die Ringkammer 60 einführt. Eine Regelklappe 68 reguliert die Strömung zwischen den Kanälen 64 und 66. Die Decke des Gehäuses 50 ist mit einer Vielzahl dreieckiger Schlitze 70, 72, 74 und 76 (Fig. 8) in die Kammer 52 vom obersten Teil der Ringkammer 60 versehen. Ein Teil des in die Kammer 60 eintretenden Gasstroms fließt durch die Schlitze 70-76 und bildet einen Strom heißen Gases den oberen Teil der Kammer 52 entlang und schützt die Oberfläche des oberen Teils der Kammer vor einer Anhäufung von Reagenströpfchen. Das restliche Gas fließt die Rinkammer 60 entlang die Wand von Kammer 52 entlang Gehäusewand 50 entlang und trifft durch eine Vielzahl Eintrittsöffnungen (nur eine, 78 ist gezeigt) wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen in die Kammer 52 ein.

Dieser Apparat und dieses Verfahren können in der Industrie für viele chemische Reaktionsprozesse angewendet werden. Eine spezielle Applikation besteht in der Rauchgasentschwefelung mit Einspritzung von Schlammtröpfchen o.dgl. Eine zweite Applikation des Reaktors und Prozesses besteht in Prozessen mit Reaktionen von Gas und klebrigen Partikeln. Dies kann eine beliebige Anzahl verschiedener Zusammensetzungen von Gaspartikeln und dergleichen einschließen. Ein anderer Prozeß, bei dem der vorliegende Reaktor und Prozeß angewendet werden können, besteht in der Verbrennung von Kohleschlamm-Brennstoffgemisch in kleinen Öfen.

Bei der Durchführung des oben beschriebenen Prozesses umfassen die Schritte die Teilung des Gasstroms in einen ersten Teil, der dem Reaktor direkt zugeführt wird und Umleitung eines zweiten Teils des Gases in den Reaktor durch Wandöffnungen in derjenigen Zone, wo die Tröpfchen und Feststoffe in den Reaktor eingeführt werden. Das Gas bildet auf Weg nach unten eine starke Turbulenz und erzeugt eine hohe Gleitgeschwindigkeit. Die Gleitgeschwindigkeit ist eine relative Geschwindigkeit zwischen Gas und Feststoffpartikeln oder Schlammtröpfchen. Dies begünstigt die Wärme- und Stoffübertragung zwischen Gas und Reaktorpartikeln oder Schlammtröpfchen und hilft, die geforderte Reaktionszeit sowie die Trocknungszeit zu verkürzen. Ebenfalls verlängert der Gaswirbel die Verweilzeit von Partikeln oder Schlammtröpfchen im Reaktor.

Der zweite Teil des Gasstroms wird zum äußeren Ringbereich des Reaktors hin geleitet und tritt durch die verschiedenen Schlitze, die axial und radial die Reaktorwand entlang angeordnet sind, in den Reaktor ein. Dies sorgt für zusätzliche Vermischung und Turbulenz bei verschiedenen Entfernungen im stromabwärtsliegenden Reaktor und verhindert, daß klebrige Partikeln die Reaktorwände erreichen, sich daran festsetzen und ablagern.

Die Richtung des aus dem zweiten Strom in den oberen Bereich des Reaktors verwirbelten Gases kann so gewählt werden, daß sie entweder gleich oder entgegengesetzt zum primären Strom im Reaktor ist. Dies könnte von einer Anzahl Faktoren abhängig sein, einschließlich der Typen von Prozeßapplikationen, der Klebrigkeit von Partikeln und des Bedarfs von Partikelabscheidung. Bei einer entgegengesetzten Eintrittsrichtung in den Reaktor, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, kann die Ablagerung von noch klebrigen Partikeln an der Reaktorwand vermieden werden.

Aus Fig. 4 kann man ersehen, daß der primäre Gaskanal wie bei der vorherigen Ausführungsform geteilt ist, wobei sich die Gasströme jedoch im selben Uhrzeigersinn im Reaktor bewegen. Bei dieser Lösung wird der Primärstrom in den Reaktor so eingegeben, dar sie sich im Uhrzeigersinn bewegt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Der zweite Gasstrom, der durch einer Regelklappe zur Einstellung des Verhältnisses der Volumen zwischen dem ersten und dem zweiten Strom reguliert wird, wird auch in der gleichen Richtung in die äußere Kammer eingeführt, wobei er sich die Reaktionskammer entlang bewegt und in sie in der gleichen Richtung eintritt, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Diese Anordnung, wobei der erste und zweite Gasstrom in der gleichen Richtung fließen, trägt zur Feststoffabscheidung aus dem Gasstrom zur Rückgewinnung oder Austragung desselben bei.

Die Ausführungsform von Fig. 6 bis 8 mit den dreieckigen Schlitzen oder Öffnungen in der oberen oder eintrittsseitigen Wand der Reaktorkammer kann kann mit der Strömungsrichtung von Fig. 2 oder 4 kombiniert werden. Diese Eigenschaft kann zur Kontrolle der außeren Geschwindigkeit der in die Kammer eingeführten Flüssigkeit und Feststoffe beitragen.