Der Begriff Wirbelschicht (auch Wirbelbett genannt, englisch fluidized bed) stammt aus dem Bereich der thermischen und mechanischen Verfahrenstechnik. Wirbelschicht wird eine Schüttung von Feststoffpartikeln genannt, welche durch eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Fluids in einen fluidisierten Zustand versetzt wird. Der Begriff „fluidisiert“ weist in diesem Zusammenhang darauf hin, dass die (ehemalige) Schüttung nun Fluid-ähnliche Eigenschaften aufweist. In einigen Berechnungsmodellen wird dies als grundlegender Ansatz herangezogen. Da es sich bei einer Wirbelschicht um ein Fluid-Feststoff-Gemisch handelt, kann dieser Ansatz trotz zumeist guter Ergebnisse nicht alle Phänomene beschreiben.

Wirbelschichtverfahren haben eine herausragende Bedeutung in Wirbelschichttrocknern bei der Trocknung granularer Medien, bei Feuerungen von Kohle, Ersatzbrennstoffen oder Klärschlamm, bei der Fluid-Catalytic-Cracking-Kraftstoffherstellung oder auch der Kaffee-Röstung.

Geschichte

Im Rahmen der Optimierung des Haber-Bosch-Verfahrens entwickelte der deutsche Chemiker Fritz Winkler bei BASF die erste Wirbelschichtvergasung zur Herstellung von Synthesegas aus feinkörniger Braunkohle im Winkler-Generator, wofür er 1922 ein Patent erhielt. 1926 wurde die erste großtechnische Anlage in Betrieb genommen. 1929 gingen vier weitere Anlagen in Betrieb. Durch die Anwendung der Wirbelschicht in den Vereinigten Staaten für das katalytische Cracken von Mineralölen in den 1940er Jahren erfolgten rasch umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen des Fließbettes. In den 1960er Jahren wurde im damaligen VAW-Lippewerk in Lünen das erste Kraftwerk mit zirkulierender Wirbelschicht zur Verbrennung ballastreicher Steinkohlen gebaut, später für die Kalzinierung von Aluminiumhydroxid. Inzwischen werden Wirbelschichtanlagen für viele verschiedene Zwecke benutzt.

Eigenschaften von Wirbelschichten

Eine Wirbelschicht weist flüssigkeitsähnliche Eigenschaften auf. So bildet sich, wie bei Wasser, stets eine horizontale Oberfläche aus. Werden in zwei miteinander verbundenen Behältern Wirbelschichten erzeugt, so stellt sich in beiden die gleiche absolute Höhe der Wirbelbettobergrenze ein (Prinzip der kommunizierenden Röhren). Weiterhin sinken in einem Wirbelbett Objekte mit höherer Dichte als das Bett ab, während Objekte mit geringerer Dichte schwimmen (Archimedisches Prinzip). Da sich die ‚Dichte‘ (eigentlich der Feststoffvolumenanteil im Gemisch) des Wirbelbettes mit der Fluidisierungsgeschwindigkeit ändert, können Objekte mit ähnlicher Dichte wie das Wirbelbett durch Änderung der Fluidisierungsgeschwindigkeit zum Absinken bzw. Wiederauftauchen gebracht werden.

In Wirbelschichten kommt es zu einem engen Kontakt des Wirbelgutes (Feststoffpartikel) mit dem Wirbelmedium (Fluid: Gas oder Flüssigkeit) und zu lebhaften Platzwechseln der einzelnen Partikel nach allen Richtungen. Dies führt in Wirbelschichtfeuerungen zu einem guten Wärmetransport innerhalb der Anlage und zu einem guten Wärmeübergang zwischen Wirbelschicht und der Behälterwand bzw. eingebauten Wärmetauschern. Gleichzeitig sorgen der gute Wärmetransport und die (im Vergleich zu Gas) enorm hohe Wärmekapazität des Bettinventars für ein relativ homogenes Temperaturfeld in der Anlage, was eine schadstoffarme Verbrennung zur Folge hat. Charakteristisch für die Beurteilung des Fluidisierungszustandes von Wirbelschichten ist der Verlauf des Feststoffvolumenprofils, das sich aus dem (scheinbaren) Druckverlust über der Anlagenhöhe berechnen lässt.

Arten von Wirbelschichten

Man unterscheidet zwischen homogenen Wirbelschichten mit einer räumlich gleichmäßigen Verteilung der dispersen Phase und inhomogenen Wirbelschichten, die eine räumlich ungleichmäßige Verteilung der dispersen Phase aufweist. Daneben gibt es stationäre oder blasenbildenden Wirbelschichte (BWS), bei denen die fluidisierte Schüttung eine deutliche Grenze besitzt, aus der nur sehr wenige (feine) Partikel ausgetragen werden und zirkulierende Wirbelschichten (ZWS), bei der die fluidisierte Schüttung auf Grund einer größeren Strömungsgeschwindigkeit des Fluids keine deutliche obere Grenze mehr besitzt und Partikel in großem Maße nach oben ausgetragen werden. Diese fallen dann in Form von Clustern wieder in das Wirbelbett zurück oder werden in den Gaszyklon ausgetragen, dort vom Gasstrom getrennt und über eine Rückführung wieder der Bodenzone zugeführt, also (re-)zirkuliert.

Wirbelschichtzustände

Geldart-Gruppen

Ihrem unterschiedlichen Fluidisationsverhalten entsprechend hat Derek Geldart Schüttgüter für Gas/Feststoff-Wirbelschichten in die vier sogenannten „Geldart-Gruppen“ unterteilt. Diese sind in einem doppellogarithmischen Diagramm von Dichtedifferenz (Fluid - Feststoff) über Partikelgröße aufgetragen.

Gruppe A

Die Partikelgröße liegt zwischen ca. 20…100 μm, die Partikeldichte unter ca. 1400 kg/m³. Bevor Blasenbildung entsteht, expandiert die Schicht bis zum zwei- bis dreifachen der Schichtdicke am Lockerungspunkt. Zu dieser Gruppe zählen die meisten pulverförmigen Katalysatoren.

Gruppe B

Die Partikelgröße liegt zwischen ca. 40…500 μm, die Partikeldichte bei ca. 1400…4500 kg/m³. Blasenbildung setzt direkt nach Überschreitung des Lockerungspunktes ein.

Gruppe C

Hier handelt es sich um äußerst kleine und damit sehr kohäsive Partikel mit einer Größe unter 20…30 μm. Aufgrund der starken Kohäsionskräfte lassen sich diese Partikel nur sehr schwer (z. B. unter Zuhilfenahme von mechanischen Rührern) fluidisieren.

Gruppe D

Die Partikelgröße liegt hier bei über 600 μm bei sehr hohen Partikeldichten. Zur Vermischung wird ein sehr großer Volumenstrom benötigt, was wiederum Abriebgefahr birgt.

Modell

Wird ein Festbett von einem Fluid durchströmt, steigt der Druckverlust etwa proportional mit der Strömungsgeschwindigkeit. Am Wirbelpunkt (${\displaystyle u\geq u_{mf}}$) wird das Bettmaterial vom Gasstrom getragen. Der Druckverlust bleibt dann konstant.

Am Boden der Anlage ist der (scheinbare) Druckverlust multipliziert mit der Querschnittsfläche des Wirbelbettes gleich der Gewichtskraft des Feststoffinventars (abzüglich des Auftriebs des Feststoffes im Fluid).

${\displaystyle \Delta p_{w}=H_{w}(1-\epsilon _{w})(\rho _{s}-\rho _{f})g}$

Zur Abschätzung des Fluidisierungszustandes eignet sich das von Lothar Reh entwickelte Reh-Diagramm.

Anwendung

Wirbelschichtanlagen werden in technischen Prozessen genutzt, um Feststoffe mit Gasen, Flüssigkeiten oder anderen Feststoffen in engen Kontakt zu bringen. In der Wirbelschicht werden unter anderem die folgenden charakteristische Grundeigenschaften der Verfahrenstechnik und der chemischen Reaktionstechnik ausgenutzt:

• hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen den kontinuierlichen Fluiden und der dispersen festen Phase,
• häufiger Partikel-Partikel-Stoß und Partikel-Wand-Stoß
• intensive Vermischung der Partikel

Wirbelschichtanlagen werden für eine Vielzahl von technischen Prozessen eingesetzt. An dieser Stelle sollen die wichtigsten kurz genannt werden:

• Trocknungsprozesse
• chemische Reaktionen und im Bereich der Energieumwandlung für Vergasungs- und Verbrennungsprozesse
• Klassierung heterogener Schüttungen

In letzter Zeit findet der Wirbelschichtreaktor immer mehr Anwendung in der Kraftwerkstechnik, wo er zu Wirkungsgradverbesserungen beiträgt. Auch Vorgänge wie die Pulverbeschichtung können so durchgeführt werden.

Anwendungsbeispiele

Weblinks

• Grundlagen zur zirkulierenden Wirbelschicht (Kaltmodell). (Memento vom 28. September 2007 im Internet Archive; PDF; 958 kB)

Einzelnachweise

1. ↑ Chemietechnik, Nov. 2013, aufgerufen am 11. Dezember 2013.
2. ↑ Patent DE437970C: Verfahren zum Herstellen von Wassergas. Angemeldet am 28. September 1922, veröffentlicht am 2. Dezember 1926, Anmelder: IG Farbenindustrie AG, Erfinder: Fritz Winkler.‌
3. ↑ C. Crowe: Multiphase Handbook. S. 5–71
4. ↑ M. Stieß: Mechanische Verfahrenstechnik Band 2. Springer Verlag, 1995, Kapitel 11: Wirbelschichten und pneumatische Förderung.
5. ↑ H. Schubert: Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik. Band 1. Wiley Verlag, Weinheim 2003, Kapitel 3.2.2: Wirbelschichten.
6. ↑ D. Geldart: Types of gas fluidization. In: Powder Technology. Band 7, Nr. 5, Mai 1973, S. 285–292, doi:10.1016/0032-5910(73)80037-3 (asia.edu.tw [PDF]).  asia.edu.tw (Memento des Originals vom 13. Juli 2017 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/dns2.asia.edu.tw
7. ↑ Vertiefung: Bestimmung des Wirbelpunkts durch dimensionslose Kennzahlen
8. ↑ Developments in the Venezuelan DRI Industry (PDF) S. 5
9. ↑ What is Finmet Process (Technology) of Ironmaking? (Memento vom 2. April 2015 im Internet Archive)
10. ↑ Direct Reduction Technologies. (PDF) Outotec
11. ↑ Kaffeebohnen in Wirbelschicht kandiert, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 8. März 2000
12. ↑ Walter Habel (Hrsg.): Wer ist wer? Das deutsche Who's who. 24. Ausgabe. Schmidt-Römhild, Lübeck 1985, ISBN 3-7950-2005-0, S. 1240.
13. ↑ Wirbelschicht, Physik für alle!, abgerufen am 4. Oktober 2023
14. ↑ Alumina Solutions (PDF) Outotec
15. ↑ Fließbett oder Sprührost: Fortschritte in der Entwicklung von Salzsäure-Regenerationsanlagen
16. ↑ Neue Technologie zur Oxichlorierung von Ethylen in einem Reaktor mit zirkulierender Wirbelschicht, TU Wien, abgerufen am 4. Oktober 2023