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Vorrichtung zur portionenweisen Dosierung eines fluidisier-
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baren Schüttgutes und Verfahren zu deren Betrieb Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zum portionenweisen Zuführen eines fluidisierbaren Schüttgutes
aus einem mit wenigstens einer Austrittsöffnung versehenen Silo zu einem Reaktionsgefäss,
insbesondere von Tonerde aus einem Tagessilo zu einem Krustendurchbruch einer Schmelzflusselektrolysezelle
zur Herstellung von Aluminium, und ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Für die Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse von
Aluminiumoxid wird dieses in einer Fluoridschmelze gelöst, die zum grössten Teil
aus Kryolith besteht. Das kathodisch abgeschiedene Aluminium sammelt sich unter
der Fluoridschmelze auf dem Kohleboden der Zelle, wobei die Oberfläche des flüssigen
Aluminiums die Kathode bildet. In die Schmelze tauchen von oben Anoden ein, die
bei konventionellen Verfahren aus amorphem Kohlenstoff bestehen. An den Kohleanoden
entsteht durch die elektrolytische Zersetzung des Aluminiumoxids Sauerstoff, der
sich mit dem Kohlenstoff der Anoden zu CO2 und CO verbindet. Die. Elektrolyse findet
in einem Temperaturbereich von etwa 940-970oC statt.
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Im Laufe der Elektrolyse verarmt der Elektrolyt an Aluminiumoxid.
Bei einer unteren Konzentration von 1 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid im Elektrolyten
kommt es zum Anodeneffekt, der sich in einer Erhöhung der Spannung von beispielsweise
4 bis 5 V auf 30 V und darüber auswirkt. Spätestens dann muss die Kruste aus festem
Elektrolytmaterial eingeschlagen und die Aluminiumoxidkonzentration durch Zugabe
von neuer Tonerde angehoben werden.
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Die Zelle wird im normalen Betrieb üblicherweise periodisch bedient,
auch wenn kein Anodeneffekt auftritt. Ausserdem muss bei jedem Anodeneffekt die
Kruste eingeschlagen und die Tonerdekonzentration durch Zugabe von neuem Aluminium
oxid angehoben werden, was einer Zellenbedienung entspricht.
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Zur Zellenbedienung ist über lange Jahre die Kruste zwischen den Anoden
und dem Seitenbord der Elektrolysezelle eingeschlagen und anschliessend neues Aluminiumoxid
zugegeben worden. Diese Praxis stösst auf zunehmende Kritik, wegen Verschmutzung
der Luft in der Elektrolysehalle und der äusseren Atmosphäre. Bei gekapselten Elektrolysezellen
kann eine maximale Zurückhaltung der Prozessgase jedoch nur gewährleistet werden,
wenn die Bedienung automatisch erfolgt.
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Nach dem Einschlagen der Kruste wird die Tonerde entweder lokal und
kontinuierlich nach dem "Point-Feeder"-Prinzip oder nicht kontinuierlich über die
ganze Zellenlängs- bzw.
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Zellenquerachse zugeführt.
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Die bekannten, auf den Elektrolysezellen angeordneten Vorratsbunker
bzw. Tonerdesilos sind im allgemeinen in Form von Trichtern oder Behältern mit einem
trichterförmigen bzw.
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konisch auslaufenden Unterteil ausgebildet. Der Inhalt der auf der
Zelle angeordneten Silos deckt im allgemeinen einen ein- bis zweifachen Tagesbedarf,
sie werden daher auch Tagessilos genannt.
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Die Tonerde zufuhr vom Silo zu einem Durchbruch in der den schmelzflüssigen
Elektrolyten überdeckenden Kruste erfolgt bei bekannten Vorrichtungen durch Oeffnen
einer Klappe, die zwecks Chargierung geschwenkt wird, oder nach anderen Systemen
mit Dosierschnecken, -Dosierzylindern oder dergleichen.
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Diese bekannten Dosiervorrichtungen haben den Nachteil, dass mechanisch
bewegbare Teile in der Elektrolysezelle eingebaut sein müssen. Dadurch sind sie
den Einwirkungen der Ofenatmosphäre mit ihrer Hitze- und Staubbelastung unterworfen,
was einen mehr oder weniger umfangreichen Unterhalt erfordert.
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Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
zur portionenweisen Dosierung eines fluidisierbaren Schüttgutes zu schaffen, die
keine mechanisch bewegbaren Elemente aufweist, wobei deren einfacher Aufbau eine
kostengünstige Herstellung und eine weitgehende Wartungsfreiheit gewährleisten soll.
Weiter soll ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung geschaffen werden.
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In bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäss gelöst
durch ein unterhalb einer Siloaustrittsöffnung in ungefähr horizontaler Lage angeflanschtes,
von der Längsachse des Reaktionsgefässes nach aussen verlaufendes Förderrohr mit
- einer der Siloaustrittsöffnung ungefähr entsprechenden Einlassöffnung, welche
unmittelbar neben einer das Förderrohr innen verschliessenden Düse ausgespart ist,
- einem zur äusseren Düsenöffnung führenden Verbindungsrohr zur Druckleitung mit
einem mittels eines Zeitrelais gesteuerten Ventil, und - einem vertikal oder stark
schräg nach unten weisenden Abflussrohr, welches im Bereich der verschlossenen,
äusseren Stirnwand des Förderrohres angeordnet ist und die Auslassöffnung umgibt.
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Das aus dem Silo ausfliessende Schüttgut bildet in Ruhestellung einen
Schüttkegel mit einem von den Fliesseigenschaften des Gutes abhängenden Schüttwinkel.
Die Siloöffnung
kann mit einem Verschliessorgan versehen sein, das
jedoch in normaler Ruhestellung nicht betätigt wird; der Silo kann jedoch beim Entfernen
des Förderrohres verschlossen werden.
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Die minimale Länge des Förderrohres bzw. der minimale Abstand des
Eintritts von der Austrittsöffnung im Förderrohr muss so gewählt sein, dass der
Schüttkegel des aus dem Silo ausfliessenden Gutes ohne äussere Einwirkung die Austrittsöffnung
des Förderrohres nicht erreicht.
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Die maximale Länge des ungefähr horizontal angeordneten Förderrohres
wird einerseits durch die Schubkraft des Druckgases und andererseits durch die Verdichtung
des Schüttgutes im Rohr begrenzt. Generell kann gesagt werden, dass der Längenbereich
des Förderrohres verhältnismässig weit variiert werden kann. So ist es im Falle
der Aluminiumelektrolyse möglich, die Tonerde von einem im Bereich der Zellenlängsachse
angeordneten Silo zu zwischen Anoden und Seitenbord der Zelle liegenden Einschlaglöchern
in der Elektrolytkruste zu führen.
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Je nach der Länge des Förderrohres bzw. des Abstandes von dessen Eintritts-
und Austrittsöffnung kann das Förderrohr von der horizontalen Lage abweichen. Insbesondere
bei extrem kurzen Rohren, bei welchen der Abstand von der Eintrittszur Austrittsöffnung
kleiner als der dreifache Rohrdurchmesser ist, kann das Förderrohr in Richtung des
zu transportierenden Schüttgutes leicht ansteigend angeordnet sein.
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Lange Förderrohre - mit einem Abstand zwischen Eintritts-und Austrittsöffnung,
der grösser als der fünffache Rohrdurchmesser ist - dagegen sind bevorzugt in Förderrichtung
eher leicht sinkend angeordnet, damit die Schubkraft des Druckgases besser ausgenutzt
werden kann. Die Neigung des Förderrohres gegenüber der Horizontalen muss jedoch
klein, vorzugsweise unter 10°, sein, damit das Schüttgut keinesfalls blockiert oder
von selbst gleitet.
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Je nach der konstruktiven Gestaltung des Aufbaus über einem Reaktionsgefäss
kann zwischen Silo und Förderrohr, anstelle einer direkten Anflanschung, auch ein
Fallrohr oder dgl. angeordnet werden. Dieses Fallrohr ist zweckmässig vertikal angeordnet
oder soll nur wenig von der Vertikalen abweichen, damit das Schüttgut auf jeden
Fall noch gut gleiten kann.
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Das selbe gilt für das am Ende des Förderrohres angeordnete Abflussrohr.
Es muss steiler sein als der Schüttwinkel des am schlechtesten fliessenden Materials.
In der Praxis heisst dies, dass der Winkel zur Vertikalen normalerweise kleiner
als 450 sein muss.
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In bezug auf das Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung wird die Aufgabe
erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mittels einstellbarer, kurzzeitiger Oeffnung
des Impulsventils in regelmässigen Zeitabständen Druckluft in das Förderrohr gepresst
wird.
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Zur Erreichung eines reproduzierbaren, wirtschaftlich arbeitenden
Verfahrens müssen folgende Parameter optimalisiert werden: - Pulsfrequenz - Pulsdauer
- Druck des eingeblasenen Mediums - Düsenöffnung Die Oeffnung der in das Förderrohr
auswechselbar eingesetzten Düse beträgt vorzugsweise 10 - 25 mm, insbesondere 20
mm.
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Die Impulsdauer wird nach unten durch die Trägheit des verwendeten
Ventils begrenzt, sie kann jedoch auf einige Millisekunden gesenkt werden. Eine
lange Impulsdauer grenzt an die bekannte kontinuierliche Förderung: In diesem erfindungs-
gemäss
nicht angestrebten Fall fliesst dauernd Tonerde aus dem Silo und wird gleich durch
das Förderrohr in das Abflussrohr und damit zur Reaktionszelle geblasen. Die Genauigkeit
bei derartigem kontinuierlichem Fördern ist nicht ausreichend. Von wesentlicher
Bedeutung ist die genaue Reproduzierbarkeit der Impulsdauer. Praktische Versuche
haben ergeben, dass bei der Dosierung von Aluminiumoxid eine Impulsdauer von 10
- 100 Millisekunden optimale Resultate erlaubt.
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Aus wirtschaftlichen Gründen wird bevorzugt Druckluft in das Förderrohr
eingeblasen. Diese kann zweckmässig aus einem normalen Druckluftnetz abgezweigt
und mit 4 - 6 bar in das Förderrohr eingeblasen werden. Die untere Grenze des Druckes
wird sowohl von der Länge und Neigung des Förderrohres als auch von der zu erreichenden
Fördergenauigkeit bestimmt. Auf der andern Seite darf der Luftdruck nicht so hoch
sein, dass das Schüttgut explosionsartig aus dem Förderrohr gefegt wird.
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Während der eingestellten Pulsdauer muss das im Rohr befindliche Schüttgut
vielmehr um einen bestimmten reproduzierbaren Betrag - normalerweise einige Zentimeter
- vorwärts geschoben werden.
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Die Pulsfrequenz wird gegen oben, wie die Pulsdauer gegen unten, durch
die Trägheit des verwendeten Ventils bestimmt.
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Sehr hohe Frequenzen führen zum oben erwähnten Grenzfall einer kontinuierlichen
Förderung. Weiter muss das Schüttgut vor dem nächsten Puls ruhig sein, sonst wird
die Fördergenauigkeit nachteilig beeinflusst. Pulsfrequenzen zwischen 5 und 20 pro
Minute haben zu guten Ergebnissen geführt.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die teilweise aufgeschnittene Ansicht zeigt schematisch die in
Blickrichtung obere rechte Hälfte einer Schmelzflusselektrolsysezelle zur IIerstelluny
von Aluminium.
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Der kathodische Teil der Zelle besteht aus einer von einem Kasten
10 umgebenen Stahlwanne 11 mit einem eingebetteten Kohleblock 12. Die zwischen Stahlwanne
und Kohlekathode befindliche thermische Isolation ist einfachheitshalber nicht eingezeichnet.
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An der Traverse 14 sind über Anodenstangen 16 die Kohleanoden 18 aufgehängt.
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Das während des Elektroylseprozesses abgeschiedene Aluminium sammelt
sich auf dem Boden der Kohlestoffauskleidung 12. Nach dem periodischen Schöpfen
des flüssigen Metalls muss die Traverse 14 um den entsprechenden Betrag abgesenkt
werden.
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Ein hochgestelltes, U-förmiges oberes Auflageprofil 20 stützt den
in der Zellenlängsachse angeordneten Silo 22, welcher die Tonerde 24 enthält. Das
untere Ende des Silos 22 ist konisch ausgebildet und mit einer Austrittsöffnung
26 versehen. Der an dieser Austrittsöffnung ausgebildete Stutzen wird von einem
nahezu vertikal angeordneten Fallrohr 28 umschlossen. Das Fallrohr mündet seinerseits
über eine Eintrittsöffnung 30 in ein Förderrohr 32, welches im vorliegenden Fall
exakt horizontal angeordnet ist und einen Durchmesser von etwa 10 cm hat.
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Die Tonerde bildet im Förderrohr einen Schüttkegel 34, der in Ruheposition
das Fallrohr 28 verschliesst und den Austritt weiterer Tonerde verhindert. Bis zur
40 cm von der Eintrittsöffnung 30 entfernten Austrittsöffnung 36 des Förderrohres,
welche in das Abf lussrohr 40 übergeht, sind einige Zentimeter lange, raupenförmige
Tonerdewülste 43 ausgebildet.
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Das Förderrohr ist rechts dicht verschlossen. Der im Ausführungsbeispiel
dargestellte blinde Stutzen auf der rechten Seite des Förderrohres kann auch weggelassen
werden, indem dieses unmittelbar nach der Austrittsöffnung 36 verschlossen wird.
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Auf der linken Seite, unmittelbar neben der Eintrittsöffnung 30, ist
eine Düse 42 angeordnet. Die 20 mm-Bohrung der Düse ist über ein Verbindungsstück
48 an eine Druckluftleitung 44 angeschlossen. Ein elektromagnetisch steuerbares
Impulsventil 46 kann das Verbindungsstück 48 öffnen und schliessen.
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Das Impulsventil 46 wird von einem unteren Auflageprofil 50 getragen.
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Ueber eine Aufhängung 52 ist ein Druckzylinder 54 am Siio 22 befestigt.
Der mittels dieses Druckzylinders pneumatisch oder hydraulisch betätigbare Meissel
56 kann die Kruste aus erstarrtem Elektrolytmaterial einschlagen.
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Sowohl das Impulsventil 46 als auch die den Druckzylinder 54 betätigende
Hydraulik bzw. Pneumatik sind zentral gesteuert, was einen koordinierten Einsatz
erlaubt.
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Im Zuge des Umweltschutzes ist die Elektrolysezelle mit einer aufgehängten,
an ein Winkelprofil 58 angelenkte Seitenabdeckung 60 und einer Horizontalabdeckung
62 versehen.
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Vor der Inbetriebnahme der Elektrolysezelle wird Tonerde 24 in den
Silo 22 eingefüllt, von wo sie über das Fallrohr 28 in das Förderrohr 32 gelangt
und dort einen Schüttkegel 34 bildet. Durch kurzzeitiges Oeffnen des Ventils 46
wird Druckluft in das Förderrohr gepresst und aus dem Schüttkegel in Ruhelage ein
seitlich verschobener raupenförmiger Wulst 43 gebildet. Nach mehrmaligem Oeffnen
des Impulsventils 46 wird eine entsprechende Anzahl Wülste 43 gebildet, bis der
vorderste die Austrittsöffnung 36 erreicht hat. Nun ist die Dosiervorrichtung einsatzbereit.
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Während des Betriebs der Elektrolysezelle wird das Impulsventil 46
in regelmässigen Zeitabständen kurzzeitig geöffnet, so dass Druckluft in das Förderrohr
gepresst wird. Gleichzei-
tig mit oder unmittelbar nach dem Oeffnen
des Impulsventils 46 wird der Druckzylinder 54 betätigt, wobei der Meissel 56 die
Elektrolytkruste durchstösst. Das auf diese Oeffnung gerichtete Abflussrohr 40 führt
der Durchstossöffnung eine Portion Tonerde zu, welche volumenmässig einem raupenförmigen
Wulst 43 im Förderrohr 32 entspricht.
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Sofort nach dem Schliessen des mit einem Zeitrelais gesteuerten Impulsventils
46 kann aus dem Fallrohr 28 Tonerde nachfliessen, bis der sich bildende Schüttkegel
34 die Eintrittöffnung 30 aufs neue verschliesst.
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Wenn beispielsweise zwei Kilogramm Tonerde pro Minute zugeführt werden
müssen, können 10 Druckluftimpulse von 50 msec Dauer bei einem Druck von 5 bar-erzeugt
werden. Damit werden pro Schub 200 g Tonerde gefördert. Die in diesem Beispiel gemessenen
Abweichungen der bei einem Impuls geförderten Tonerdemengenliegen unter 1%. Auch
mit anderen erfindungsgemässen Anordnungen kann diese ausserordentlich hohe Dosiergenauigkeit
erreicht werden.
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