DE1300512B

DE1300512B - Vorrichtung zum Mischen und Durchfuehren von chemischen Reaktionen mittels einer Brennkammer

Info

Publication number: DE1300512B
Application number: DESCH19860A
Authority: DE
Original assignee: SCHOPPE
Current assignee: SCHOPPE
Priority date: 1956-03-31
Filing date: 1956-03-31
Publication date: 1969-08-07

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen und Durchführen von chemischen Reaktionen mittels einer Brennkammer, insbesondere Reaktionen bei stöchiometrischem Mischungsverhältnis, von gasförmigen, flüssigen oder strömungsfähigen festen Stoffen mit- bzw. untereinander, bestehend aus einer ersten, sich von einer dem einströmenden ersten Medium einen Drall aufzwingenden Strömungsleiteinrichtung, stromab zu einer Austrittsöffnung hin erstreckenden Misch- bzw. Reaktionskammer, mit Einrichtungen zum Einführen von mindestens einem zweiten Medium und mit einer sich stromab zu einer zentrischen Austrittsöffnung hin konisch verengenden Wandung.
Es ist eine Misch- und Reaktionskammer zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder strömungsfähiger fester Stoffe mit- bzw. untereinander sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten aus zwei oder mehreren solcher Stoffe bekannt, wobei wenigstens einer der zu mischenden bzw. zur Reaktion zu bringenden Stoffe beispielsweise durch eine Eintrittsleitspirale mit Drall in ein zylindrisches oder sich in der Hauptströmungsrichtung erweiterndes Rohrstück eingeleitet wird. Der derart zugeführte Stoff strömt vom Eintritt entlang der Wandfläche zum Austrittsende des Rohrstücks, kehrt dort teilweise nach innen um und strömt im Bereich der Längsachse bis zum Eintrittsende zurück, wobei sich eine die Längsachse umschließende starke Turbulenz einstellt und der beizumischende Stoff bzw. die beizumischenden Stoffe an beliebigen Stellen des Rohrstücks, vorzugsweise in der Nähe der Längsachse, zugeführt werden.
Es ist bekanntlich leicht, Verbrennung von Luft mit Brennstoff bei größerem Luftüberschuß durchzuführen. Soll der Luftüberschuß dagegen möglichst klein sein oder soll sogar eine Verbrennung im stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Verhältnis durchgeführt werden, so entsteht die Schwierigkeit, Luft und Brennstoff genau gleichmäßig und vollständig zu vermischen, zu verbrennen und die dabei entstehenden hohen Temperaturen von über 20000 C einwandfrei zu beherrschen.
Man hat sich bisher bemüht, die hohen Reaktionstemperaturen bei weitgehend stöchiometrischen Reaktionen durch keramische Auskleidungen der Misch- und Reaktionskammer zu beherrschen, und nimmt dabei deren geringe Lebensdauer, insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchungen, in Kauf. Weiterhin hat man das Luft-Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Wert vorsichtig so weit angenähert, wie es der dabei ansteigende Verlust im unverbrannten Abgas zuließ.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die aufgezeigten Schwierigkeiten auf einfache Weise vermeidet und in der sich somit einerseits die insbesondere für stöchiometrische Reaktionen erforderlichen hohen und gleichmäßigen Mischleistungen erzielen lassen und andererseits die dabei auftretenden hohen Reaktionstemperaturen leicht so weit beherrschen lassen, daß teure, hochtemperaturbeständige Wandauskleidungen der Misch- und Reaktionskammer vermeidbar sind. Dabei soll die Vorrichtung nicht nur zur Verbrennung von Luft und Brennstoff, sondern auch zur Durchführung von anderen chemischen Reaktionen, z. B. Abbruchreaktionen, und Einfrieren von Gleichgewichten mit Vorteil verwendbar sein, wenn vor allem die Gefahr eines thermischen oder chemischen Angriffs der Kammer wandungen verhindert werden soll.
Die Erfindung löst die Aufgabe in der Weise, daß die Strömungsleiteinrichtung von einer Einlaufspirale gebildet ist und daß die Austrittsöffnung in eine zweite Kammer führt, die mit einer an der der Austrittsöffnung gegenüberliegenden Kammerbegrenzung angeordneten, der Zufuhr eines weiteren Mediums dienenden zweiten Einlaufspirale und im Bereich der Austrittsöffnung mit einem der Mischgasabführung dienenden Austritt ausgestattet ist.
Hierdurch wird erreicht, daß in der ersten Misch-und Reaktionskammer eine Teilmischung bzw. Teilreaktion abläuft, wobei die Wände dieser Kammer weitgehend durch einen Teilstrom eines der Mischungs- und/oder Reaktionspartner vor Angriffen geschützt werden, und in der zweiten Misch- und Reaktionskammer die Mischung und/oder Reaktion weitergeführt bzw. beendet wird, wobei die Wände dieser Kammer weitgehend durch ein zusätzliches Medium, etwa ein Inertgas, vor Angriffen geschützt werden.
Es kann von Vorteil sein, den Austritt der zweiten Kammer als Leitspirale auszubilden.
Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel zur Durchführung von stöchiometrischen Verbrennungen von Brennstoffen in Luft mehr im einzelnen beschrieben und erläutert. Dabei ist die Vorrichtung nach der Erfindung in einer schematischen Zeichnung im Schnitt dargestellt.
Durch einen Pfeil angedeutete Verbrennungsluft 1 tritt, von einer Einlaufspirale 2 mit einem Drall versehen, mit einer schraubenartigen Bewegung in eine erste Misch- bzw. Reaktionskammer 3 ein und durchströmt sie, aus Fliehkraftgründen an der Außenwand 3' anliegend, bis zur konisch verengten Austrittsöffnung 4 der Misch- bzw. Reaktionskammer 3. Kurz vor der Austrittsöffnung 4 macht sich der Sog des im Zentrum der Einlaufspirale wirkenden starken Unterdruckes bemerkbar. Er hindert einen großen Teil der der Austrittsöffnung zustrebenden Strömung, aus der Austrittsöffnung abzuströmen, und saugt sie vielmehr in Kammermitte bis zur Einlaufspirale 2 zurück, wo sie sich radial nach außen umstülpt, umkehrt und in Wandnähe wieder zur Austrittsöffnung läuft. Zwischen der DurchsatzströmungS in Wandnähe und der Rückströmung 6 in Kammermitte bildet sich eine röhrenförmige Zone 7 intensiver Turbulenz, in der eine erste Teilverbrennung stattfindet.
Der dazu nötige Brennstoff wird je nach den Betriebsumständen und der Brennstoffbeschaffenheit durch mindestens eine Brennstoffzufuhr 8 für ein durch einen Pfeil gekennzeichnetes Gas9 etwa in Kammerachse durch die Rückwand 10 der Einlaufspirale 2 und/oder durch mindestens eine Brennstoffzufuhr 11 für ein durch einen Pfeil gekennzeichnetes Gas 12 etwa in Kammerachse im Bereich des Austritts 4 der ersten Misch- bzw. Reaktionskammer 3 zugeführt und verbrennt darin mit einer Flamme, die weit aus der Misch- bzw. Reaktionskammer 3 hinaus in eine zweite Kammer 13 schlägt. Die Brennstoffzufuhr 8 etwa in Kammerachse durch die Rückwand 10 der Einlaufspirale 2 ist durch eine vorgelagerte Wand 14 von der Rückströmung 6 unbeeinflußt. Die Brennstoffzufuhr 11 etwa in Kammerachse im Bereich des Austritts 4 ist an einen Kühlkreislauf 15 angeschlossen. Die flamme ist dabei in der ersten Misch- bzw. Reaktionskammer 3 umgeben von einem Kaltluftschleier von geringer Stärke und großer Stabilität, dessen Dicke und Verlauf durch Abstimmung der Strömungsverhältnisse in der Misch-bzw. Reaktionskammer 3 den Erfordernissen leicht angepaßt werden kann. Vorzugsweise wird die Dicke des Kaltluftschleiers so gewählt, daß sie am Eintritt 16 der Misch- bzw. Reaktionskammer 3 relativ groß ist und am Austritt einen beliebig kleinen Wert erreicht. Hierzu dient der Wulstring 17 am Eintritt 16 der Misch- bzw. Reaktionskammer 3.
Die zweite Kammer 13 wird von einem kalten Inertgas 18, beispielsweise rückgeführten Abgasen oder Wasserdampf, in derselben Weise durchströmt wie die erste Misch- bzw. Reaktionskammer 3 von Luft 1. Die aus der ersten Kammer austretende, von einem Kaltluftschleier umgebene Flamme durchströmt die zweite Kammer 13 in deren Mitte bis zu einer Einlaufspirale 19, wo sie sich radial nach außen umstülpt, umkehrt und mit dem Inertgasstrom einer Austrittsspirale 20 zustrebt. Dabei mischt sich die noch unter Luftmangel leidende Flamme mit der restlichen Luft und brennt völlig aus. Die entstehenden, über 20000 C heißen Verbrennungsprodukte mischen sich weitgehend mit dem Inertgas, kühlen dabei ab und verlassen, noch teilweise von einer Inertgasschicht umgeben, die Kammer durch die Austrittsspirale 20.
Auf diese Weise ist es möglich, neben vollständigem Ausbrand bei stöchiometrischem Luft-Brennstoff-Verhältnis eine Brennkammer mit relativ kalten Wänden und damit großer Lebensdauer zu erhalten. Da keine warmfesten Wandmaterialien benötigt werden, ist die Kammer entsprechend leicht und billig. Sie kann durch Abstimmung der Strömungsverhältnisse in weitem Rahmen allen Betriebsbedingungen angepaßt werden und ist daher nicht nur zur Inertgaserzeugung, sondern auch für die verschiedensten chemischen Reaktionen und Mischvorgänge geeignet, insbesondere dann, wenn die Gefahr eines thermischen oder chemischen Wandangriffs verhindert werden soll.
Weiterhin bietet die Tatsache, daß die Reaktionsprodukte durch den in die zweite Kammer 13 eintretenden Inertgasstrom sehr rasch abgekühlt werden, eine Anwendungsmöglichkeit dieser Kombination von Kammern zum Abbrechen chemischer Reaktionen und Einfrieren von Gleichgewichten.
Dabei kann das erwähnte Inertgas gegebenenfalls durch ein anderes reaktionsfähiges Gas ersetzt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Mischen und Durchführen von chemischen Reaktionen mittels einer Brennkammer, insbesondere Reaktionen bei stöchiometrischem Mischungsverhältnis, von gasförmigen, flüssigen oder strömungsfähigen festen Stoffen mit- bzw. untereinander, bestehend aus einer ersten, sich von einer dem einströmenden ersten Medium einen Drall aufzwingenden Strömungsleiteinrichtung, stromab zu einer Austrittsöffnung hin erstreckenden Misch- bzw. Reaktionskammer, mit Einrichtungen zum Einführen von mindestens einem zweiten Medium und mit einer sich stromab zu einer zentrischen Austrittsöffnung hin konisch verengenden Wandung, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Strömungsleiteinrichtung von einer Einlaufspirale (2) gebildet ist und daß die Austrittsöffnung (4) in eine zweite Kammer (13) führt, die mit einer an der Austrittsöffnung (4) gegenüberliegenden Kammerbegrenzung angeordneten, der Zufuhr eines weiteren Mediums dienenden zweiten Einlaufspirale (19) und im Bereich der Austrittsöffnung mit einem der Mischgasabführung dienenden Austritt ausgestattet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt der zweiten Kammer (13) als Leitspirale (20) ausgebildet ist.