CH343375A

CH343375A - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung exothermer, chemischer Reaktionen

Info

Publication number: CH343375A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Rummert
Original assignee: Hoechst Ag
Priority date: 1954-12-31
Filing date: 1955-12-31
Publication date: 1959-12-31
Also published as: GB831118A; BE544123A; FR1153431A; US2890929A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung exothermer, chemischer Reaktionen
Es sind zahlreiche chemische Reaktionen bekannt, die stark exotherm ablaufen und deshalb besonderer apparativer Vorkehrungen bedürfen, um die Prozesse technisch zu beherrschen. Viele dieser Reaktionen, wie z. B. die Vereinigung von Chlor und Wasserstoff zu Chlorwasserstoff, die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff unter Bildung von Wasserdampf oder die Chlorierung von Kohlenwasserstoffen zu den verschiedenen Chlorkohlenwasserstoffen, sind so stark exotherm, dass sie teilweise unter Flammenerscheinungen ablaufen. Bei der technischen Durchführung derartiger Reaktionen kommt bisher dem Material der Wandungen des Reaktionsgefässes eine ausschlaggebende Bedeutung zu.

Die zur Erzielung eines vollständigen Umsatzes erforderliche gründliche Durchmischung der Reaktionskomponenten hat man meistens dadurch zu erreichen versucht, dass man die Reaktionskomponenten in einer geeignet geformten Düse (Brenner) mischt und die Reaktion im freien Raum vor dieser Düse in Form einer Flamme vor sich gehen lässt. Dabei müssen die Wände des Reaktionsraumes dadurch kalt gehalten werden, dass man sie von aussen her kühlt.

Diese Arbeitsweise besitzt die grundsätzlichen Nachteile,
1. dass die an das Kühlmedium abgegebene Wärme sich in der Regel nicht nutzbringend wiedergewinnen lässt,
2. dass zur Erzielung des für die wirksame Durchmischung der im allgemeinen aus Gasometern mit dem nur niedrigen Gasometerdruck entnommenen Reaktionsteilnehmer erforderlichen Vordruckes meist Gebläse oder Kompressoren eingesetzt werden müssen,
3. dass zur Vermeidung eines Zurückschlagens der Flamme bei den üblichen Brennerformen stets ein besonderer Aufwand sich erforderlich macht.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie betrifft ein Verfahren zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen zwischen Gasen oder Gasen und Flüssigkeiten. Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass man eine gasförmige Komponente des Reaktionsgemisches am einen Ende in Richtung einer Schraubentangente in einen als Zyklon gestalteten Reaktionsraum mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit einführt, dass sich ein an der Wand des Reaktionsraumes gleitender Wirbel ausbildet, während man gleichzeitig axial vom andern Ende her mindestens eine andere Komponente zuführt, so dass die exotherme Reaktion in der Mischungszone der Reaktionsteilnehmer längs der Achse des Reaktionsraumes ohne unmittelbare Beaufschlagung seiner Wandung abläuft,

und dass die sich bildenden Reaktionsprodukte am erstgenannten Ende des Reaktionsraumes durch ein axiales Rohr abgeführt werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ein Reaktionsgefäss mit mindestens einem in der Nähe des einen Endes in das Innere tretenden, tangential zu einer nach dem entgegengesetzten Ende verlaufenden Schraubenlinie gerichteten Zufuhrrohr, einer axial am letztgenannten Ende einmündende Zufuhrleitung und eine vom erstgenannten Ende her axial in das Innere des Reaktionsraumes reichende Ableitung für die Reaktionsprodukte aufweist. Zweckmässig wird die in bezug auf das Wandmaterial am wenigsten aggressive Reaktionskomponente an der Basis zugeführt.

Die erwähnte Art der Zuführung der Reaktionsteilnehmer ergibt eine recht wirksame Abschirmung des Hauptteils der Innenwandung des Reaktionsraumes gegen die bei der Reaktion entstehenden Wärmemengen und die korrodierenden Einflüsse des Reaktionsproduktes bzw. der aggressivsten Reaktionskomponente.

Das erläuterte Verfahren ermöglicht die Einsparung von erheblichen Mengen wertvollen Baumaterials bei der Herstellung der Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Auch die Isolierung der Vorrichtung gestaltet sich überaus einfach, weil durch den gewählten Strömungsverlauf der eingewirbelten Komponenten die Seitenwandung des Reaktionsraumes verhältnismässig kalt bleibt und infolgedessen auch nur ein verhältnismässig geringes Temperaturgefälle von der Innenwand des Reaktionsgefässes zum umgebenden Raum besteht.

Wesentlich ist, dass infolge der beschriebenen Art und Weise des Zuführung und Durchmischung des Komponenten des Reaktionsgemisches der Reaktionsablauf in eine zentrale und von der Reaktionsraumwandung mehr oder weniger weit entfernte Zone verlegt wird, so dass die bisher erforderliche Rücksichtnahme auf die Materialkonstanten der Gefässwandung für den weitaus grössten Teil der Innenfläche entfällt.

Falls eine bestimmte Reaktion eine Reaktionstemperatur erfordert, die unterhalb der Temperatur liegt, die sich ohne besondere Massnahmen von selbst einstellt, so lässt sich die Temperatur dadurch erniedrigen, dass man eine der Reaktionskomponenten entweder in starkem Überschuss oder aber in Verdünnung mit einem inerten Gas oder Dampf zuführt, das bzw. der an der Reaktion nicht teilnimmt, aber geeignet ist, durch Aufnahme eines Teils der Reaktionswärme die Reaktionstemperatur auf die gewünschte Höhe einzustellen. Bei beiden Verfahrensformen ist praktisch die gesamte durch die Reaktion freigesetzte Wärme im Strom der abgeführten Reaktionsprodukte enthalten und lässt sich in wirtschaftlicher Weise wiedergewinnen.

Beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind nachstehend an Hand der Zeichnung, in welcher Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt sind, näher erläutert.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen im vertikalen Mittellängsschnitt schematisch je ein Ausführungsbeispiel.

Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist die Vorrichtung ein kegelförmiges Reaktionsgefäss 1 auf. In dieses mündet ein in der Nähe der Kegelbasisfläche 2 ins Innere tretendes, tangential zu einer nach der Kegelspitze verlaufenden Kegelschraubenlinie 3 gerichtetes Zufuhrrohr 4 für mindestens eine Reaktionskomponente, die durch den Pfeil A veranschaulicht ist. Das Gefäss 1 ist ferner mit einer in der Kegelspitze axial einmündenden Zufuhrleitung 5 für den oder die übrigen Reaktionsteilnehmer versehen, welche der Pfeil B veranschaulicht. Ausserdem weist das Gefäss 1 eine von der Basisfläche 2 her in das Innere des Reaktionsraumes reichende Ableitung 6 für die Reaktionsprodukte auf, die durch den Pfeil C veranschaulicht sind.

Die gemäss Pfeil A eingeführte gasförmige Reaktionskomponente wird durch das Rohr 4 mit einer Strömungsgeschwindigkeit in den als Zyklon gestalteten Reaktionsraum eingeführt, was zur Ausbildung eines an der Wand des Gefässes 1 gleitenden Wirbels führt. In der Nähe der Kegelspitze des Gefässes bildet sich eine Umkehrstelle U der Strömung, die, wie durch Pfeile veranschaulicht, in der Richtung der Pfeile B-C, abgesehen von der Wirbelung, im grossen ganzen axial weiter verläuft. Die Eigenart der erzeugten Strömung bringt es mit sich, dass beim Umkehrpunkt U der tangential eingewirbelten Reaktionskomponente ein nur geringer Druck herrscht.

Der gemäss Pfeil B von unten her eingeführte zweite Reaktionsteilnehmer braucht daher entweder keinen oder nur wenig Überdruck, um in den Reaktionsraum eingebracht zu werden. Eine intensive Durchmischung erfolgt entsprechend der wirbligen Kernströmung sehr schnell. Die Reaktion spielt sich dann im wirbelnden Zentralstrom im wesentlichen auf der Strecke B-C ab, wobei eine ständige weitere Durchmischung der Komponenten stattfindet.

Die durch die Reaktion freigesetzte strahlende Wärme wird nicht unmittelbar an die Wand des Reaktionsgefässes 1, sondern zunächst an den Strom der bei A tangential eingewirbelten Reaktionskomponente abgegeben, wodurch diese im Verlauf ihres Weges von A nach U aufgeheizt wird, und zwar derart, dass sie ihre höchste Temperatur dort erreicht, wo oberhalb des Umkehrpunktes U in der Mischungszone ihre wirbelnde Vermischung mit der von B her zugeführten und gegebenenfalls kalten Reaktionskomponente erfolgt. Dadurch wird erreicht, dass stets und sicher die Zündung des Gemisches erfolgt.

Die so erzeugte Wärme ist dann im Strom der an der Oberseite des Reaktionsraumes durch Leitung 6 abgeführten Reaktionsprodukte enthalten und kann demzufolge später, beispielsweise in einem Abhitzekessel, nahezu vollständig wiedergewonnen werden.

Sind mehr als zwei Reaktionskomponenten an der Reaktion beteiligt, so können von der Kegelspitze des Gefässes 1 her entweder vorgemischte Reaktionsteilnehmer gemeinsam durch das Rohr 5 eingeführt werden, oder aber kann für die weiteren, in Fig. 1 durch den Pfeil D veranschaulichten Komponenten eine getrennte Zufuhrleitung 7 vorgesehen sein, die tangential zur Schraubenlinie 3 in das Gefäss 1 einmündet. Soweit es sich um Reaktionen handelt, die zu ihrem Ablauf eines Katalysators bedürfen, kann der Katalysator in Form eines Gitters oder Netzes dicht oberhalb des Umkehrpunktes U, also in der Mischzone, angeordnet werden, wo die auf verschiedenen Wegen zugeführten Reaktionskomponenten aufeinandertreffen. Möglich ist auch die Anordnung des Katalysators auf einem zylindrischen Stutzen, der axial auf der Strecke von U-C im Reaktionsgefäss 1 angeordnet sein kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, dass das Reaktionsgefäss im obern Endteil 8 anschliessend an den kegelförmigen Teil 1 zylindrisch gestaltet ist. Das obere Gefässende ist wieder durch eine deckelartige Basisfläche 9 abgeschlossen. Ferner ist die zentrale Ableitung 6 in einem Abstand innerhalb des Reaktionsraumes von einem am Gefässdeckel an der Stelle E angeschweissten konzentrischen Rohr 10 grösseren Durchmesser umgeben. Ausserdem wird eine durch den Pfeil F veranschaulichte weitere Reaktionskomponente an der Innenwandung dieses Rohres 10 über ein Zuleitungsrohr 11 tangential zu einer nach der Kegelspitze verlaufenden Schraubenlinie 12 in einem gewünschten Winkel eingewirbelt.

So gelingt es, einen zweiten Wirbel zu erzeugen, der zum ersten an der Wand des Gefässes 1, 8 gleitenden Wirbel der durch den Pfeil A veranschaulichten Komponente etwa parallel verläuft und ebenfalls beim Umkehrpunkt U rückläufig wird. In der sich im Umkehrpunkt U bildenden Mischungszone tritt dann die spontane Vermischung aller durch die Leitungen 4, 5, 11 zugeführten Komponenten ein, woran sich wieder auf der Strecke B-C der Ablauf der Reaktion anschliesst. Durch entsprechende Wahl des Scheitelwinkels des kegelförmigen Gefässteils 1 oderjund der Länge des zylindrischen Gefässteils 8 kann diese Strecke B-C, welche die Reaktionsdauer bestimmt, länger oder kürzer gestaltet werden, ohne dass dabei die grundsätzlichen Vorteile des Verfahrens verlorengehen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 lediglich dadurch, dass das Reaktionsgefäss 13 auf dem grössten Teil seiner Länge die Form eines Zylinders besitzt, der an den abgerundeten Enden wieder mit dem axialen Zufuhrrohr 5 bzw. Ableitungsrohr 6 versehen ist und in den in der Nähe des obern Endes unter einem vorbestimmten Steigungswinkel a das Zufuhrrohr 4 eintritt. Dieses ist wieder tangential zu einer nach dem untern Ende des Gefässes 13 verlaufenden Schraubenlinie 14 angeordnet.

Bei allen in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen braucht bei einer Austrittstemperatur der Reaktionsprodukte von z. B. 1100 C nur das Ableitungsrohr 6 aus temperaturbeständigem und korrosionsfestem Material zu bestehen, wogegen die gesamten übrigen Teile z. B. aus gewöhnlichem Eisenblech bestehen können. Allenfalls empfiehlt es sich noch, zusätzlich auch die in der Umgebung der Misch- und Reaktionszone in der Nähe des Um kehrpunktes U befindlichen Gefäss und Rohrteile aus widerstandsfähigerem Material vorzusehen.

Beispiel 1
Erzeugung von überhitztem Wasserdampf
In den Reaktionsraum des Gefässes 1 der Vor richtung gemäss Fig. 1 wird durch das Rohr 4 Nieder druckdampf eingewirbelt, während gleichzeitig durch die Rohre 5 und 7 Wasserstoff bzw. Sauerstoff ge trennt zugeführt werden. Bringt man das Knallgas
Dampf-Gemisch in der Nähe des Umkehrpunktes U beispielsweise mit einer elektrisch beheizten Glühkerze zur Entzündung, so bildet sich H2O und aus dem Ableitungsrohr 6 tritt ein überhitzter Wasserdampf aus, dessen Temperatur durch das jeweils gewählte Verhältnis von Niederdruckdampf zu Knallgas nach Wunsch eingestellt werden kann.

Es ist auch möglich, den einen Reaktionspartner, z. B. den Wasserstoff, vorher mit dem Niederdruckdampf zu mischen und durch das Rohr 5 den andern Reaktionspartner, z. B. Sauerstoff, durch eine Filterkerze, z. B. aus Carborundum (Markenprodukt), hindurch einströmen zu lassen. Der erzeugte Wasserdampf kann als Wärmeträgergas für vielerlei endotherme Reaktionen, z. B. Crackreaktionen, dienen.

Die beschriebene Gewinnung von überhitztem Dampf hat zunächst den Vorteil des Fortfalls teueren temperaturbeständigen Materials für die Konstruktion des Brennerraumes. Ausserdem gestattet die Variation des Dampf-Knallgas-Verhältnisses eine nahezu trägheitslose Regelung der Dampftemperatur.

Die Wärmeausbeute liegt infolge der durch die gewählte Konstruktion erzielten Verringerung der Wärmeverluste nach aussen, bezogen auf eingesetzten Wasserstoff, theoretisch bei 90-95 o/o Dieser Wert wird bei aussenbeheizten Systemen auch nicht annähernd erreicht.

Beispiel 2
Erzeugung von Chlorwasserstoff aus Chlor und
Wasserstoff
In einer Vorrichtung gemäss Fig. 1, jedoch ohne das Zufuhrrohr 7, werden Wasserstoff und Chlor über die Zufuhrrohre 4 und 5 getrennt zugeführt. Die Zündung wird zweckmässig durch einen seitlich am Reaktionsgefäss 1 angebrachten Stutzen bewirkt, der mit einem Quarzfenster verschlossen ist, durch das UV-Licht in Richtung auf die Mischungszone oberhalb U eingestrahlt wird.

Das Zuleitungsrohr für das Chlor muss aus einem Werkstoff hergestellt werden, der bei schwach erhöhten Temperaturen gegenüber Chlor beständig ist und keine Bildung von FeCl3 zulässt. Ausserdem muss das Ableitungsrohr 6 aus einem Material bestehen oder mit einem solchen ausgekleidet sein, das bei der Austrittstemperatur gegenüber Chlorwasserstoff beständig ist. Besonders bewährt hat sich hierfür Elektrographit.

Die Reaktion kommt unter der Wirkung der UV-Strahlung sofort in Gang und der gebildete Chlorwasserstoff tritt aus dem Rohr 6 mit hoher Temperatur aus. Der Wärmeinhalt des austretenden Chlorwasserstoffes kann in an sich bekannter Weise zur Dampferzeugung nutzbar gemacht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen zwischen Gasen oder Gasen und Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass man eine gasförmige Komponente des Reaktionsgemisches am einen Ende in Richtung einer Schraubentangente in einen als Zyklon gestalteten Reaktionsraum mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit einführt, dass sich ein an der Wand des Reaktionsraumes gleitender Wirbel ausbildet, während man gleichzeitig axial vom andern Ende her mindestens eine andere Komponente zuführt, so dass die exotherme Reaktion in der Mischungszone der Reaktionsteilnehmer längs der Achse des Reaktionsraumes ohne unmittelbare Beaufschlagung seiner Wandung abläuft, und dass die sich bildenden Reaktionsprodukte am erstgenannten Ende des Reaktionsraumes durch ein axiales Rohr abgeführt werden.

II. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reaktionsgefäss mit mindestens einem in der Nähe des einen Endes in das Innere tretenden, tangential zu einer nach dem entgegengesetzten Ende verlaufenden Schraubenlinie gerichteten Zufuhrrohr, einer axial am letztgenannten Ende einmündenden Zufuhrleitung und eine vom erstgenannten Ende her axial in das Innere des Reaktionsraumes reichende Ableitung für die Reaktionsprodukte aufweist.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man vom zweitgenannten Ende her ein Gemisch zuführt.

2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der für das Wandmaterial des Reaktionsraumes am wenigsten aggressive Reaktionsteilnehmer vom erstgenannten Ende her in Richtung einer Schraubentangente eingeführt wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der am letztgenannten Ende zugeführte Reaktionsteilnehmer durch eine poröse Kerze eingeleitet wird, die eine grossflächige Verteilung erzwingt und die gleichmässige Durchmischung fördert.

4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Reaktionspartner im Überschuss eingeführt wird.

5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Reaktionspartner in Verdünnung mit einem inerten Gas eingeführt wird.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein kegelförmiges Reaktionsgefäss aufweist, in welches das genannte tangentiale Zufuhrrohr in der Nähe der Kegelbasisfläche einmündet.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reaktionsgefäss aufweist, das mindestens zum Teil die Form eines Hohlzylinders besitzt, der an den Enden mit je einem axialen Zu- bzw. Ableitungsrohr versehen ist und mindestens ein tangential in das Innere eintretendes Zuleitungsrohr besitzt.