Feststoffkreislauf

Feststoffkreislauf bezeichnet das systematische Umlaufverhalten von Feststoffen in einem chemisch-technischen Prozess, bei dem Feststoffe als Träger oder Katalysatoren dienen und durch verschiedene Prozesskomponenten zirkulieren. Typische Baugruppen sind Reaktor, Trenner (häufig Zyklon), Fördereinrichtungen und Rückführleitungen. Der Feststoffstrom wird in der Regel durch Gas- oder Druckluftströme bewegt, sodass ein kontinuierlicher Kreislauf entsteht. Der Kreislauf ermöglicht eine enge Kopplung von Reaktion, Wärme- und Massenaustausch, ohne dass Feststoffe dauerhaft aus dem System ausgetragen werden.

Funktionsprinzip: Feststoffe werden aus dem Reaktor in einen Abscheider transportiert, dort vom Gas getrennt und anschließend über Rückführleitungen dem Reaktor wieder zugeführt. In zirkulierenden Wirbelschichtsystemen steigt der Feststoffanteil im Gasstrom, wird im Zyklon abgetrennt und wieder in den Pelletkreislauf eingespeist. Die Umlaufzahl (circulation rate) beeinflusst Reaktionskinetik, Wärmetausch und Druckverlust.

Anwendungen: Feststoffkreisläufe kommen in zirkulierenden Wirbelschichtreaktoren (CFB) in Kraftwerken, Petrochemie und Umwelttechnik zum Einsatz. Typische Prozesse sind Gasifizierung, Verbrennung von Kohle oder Biomasse, katalytische Reaktionen mit festen Trägern sowie Sorption- oder Abscheideprozesse, zum Beispiel CO2- oder SO2-Entfernung durch festen Sorbens. Sie ermöglichen hohe Reaktions- und Wärmeübertragung und turbulente Mischungen.

Vorteile und Herausforderungen: Zu den Vorteilen gehören eine gute Wärmeverteilung, hoher Reaktions- und Massenaustausch sowie Skalierbarkeit und flexible Betriebsführung. Herausforderungen sind Verschleiß und Abrasion von Partikeln, Druckverlust, Staubbelastung, Trennungsineffizienz und komplexe Materialauswahl. Die Optimierung erfordert genaue Regelung von Umlaufgeschwindigkeit, Partikelgröße, Zyklon-Design und Reaktorgeometrie.

Historie und Bedeutung: Der Feststoffkreislauf wurde in der Prozess- und Energieversorgung weiterentwickelt, insbesondere für zirkulierende Wirbelschichtsysteme in Kraftwerken und chemischen Anlagen seit den 1970er Jahren. Heute ist er ein zentrales Konzept in CFB-Verfahren, Gasifier-Systemen sowie in katalytischen und sorptiven Prozesslinien.