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Vorrichtung zur plötzlichen Abkühlung eines heißen Gasgemisches mittels
Einspritzung einer Kühlflüssigkeit
Thermische Gasreaktionen, die bei hoher Temperatur
durchgeführt werden, benötigen vielfach eine der Reaktion unmittelbar folgende plötzliche
starke Herabsetzung der Temperatur der Reaktionsgase, um das Reaktionsergebnis zu
sichern und zu fixieren, d. h. ulm den Ibei langsamer Wiederabkühlung eintretenden
Rückgang des Reaktionsverlau,fs zu verhüten. Diese Ablçühlung wird vorzugsweise
als eine Abschreckung durch unmittelbare, in feiner Verteilung erfolgende Einspritzung
einer Kühlflüssigkeit in die Gase vorgenommen, die dabei teilweise verdampft und'
dadurch, insbesondere wenn hierzu Wasser genommen wird, intensive Kühlwirkungen
ergibt. Die mit einer solchen Kühlweise verbundene Zusammenballung und hohe Konzentration
von bedeutenden Wärmeumsetzungen in zeitlicher und räumlicher Hinsicht führt bei
der praktischen Verwirklichung zu manchen Schwierigkeiten und Verwicklungen, idie
besondere Maßnahmen zu ihrer Überwindung nötig machen. Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung, der die vorgescbi lderte Aufgabe zugewiesen ist, und löst diese mit
bedeutsamen Vorteilen in fortschrittlicher Weise.
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Die Vorrichtung gründe sich auf den Erfindungsgedanken, daß die Mittel
zur feinen Verteilung der eingespritzten Kühlflüssigkeit in unmittelbarer Kombination
mit dieser Aufgabe zugleich eine wesentliche Kühleinwirkung auf die Vorrichtung
selbst ausüben sollen. Hierbei wird von den als Flüssigkeitsverteiler an sicht bekannten
Spiralstreudüsen Gebrauch gemacht, die in der Regel aus einem inneren, mit Spiralgängen
ver-
sehenen Einsatz, dem die Flüssigkeit unter Druck zugeführt
wird, und einem diesen letzteren .umschließenden haubenartigen Mantel bestehen.
Die Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem dickwandigen, zum Durchleiten
des abzukühlende.n Gases dienenden Metallrohr, in welches am Umfang eine Anzahl
von Spiralstreudüsen in solcher Anordnung eingebaut sind, daß die für jede Düse
erforderliche Durchbrechung des Rohrs sowohl einen den Spiraleinsatz der Düsen umschließenden
und haltenden Mantel als auch eine gleichachsige, unmittelbar in den Rohrinnenraum
mündende Autstritsöffnung ergibt. Diese erfindungsgemäße Bauweise schafft den Vorteil,
daß die durch jede Streudüse eingeführte Kühlflüssigkeit in unmittelbare Berührung
mit der metallischen Wandung des Rohrs gelangt und dadurch dieses, insbesondere
aber die zur Zerstreuung der Flüssigkeit dienende und für gutes Funktionieren wesentliche
Austrittsöffnung kühlt, zugleich auch rein hält. Da wegen der Größe und räumlichen
Konzentration der durch die Vorrichtung nu schaffienden Kühlwirkung die Anzahl der
erforderlichen Streudüsen groß und ihre räumliche Verteilung längs des Rohrumfangs
dicht gehäuft, außerdem aber auch die Durcbgangsmasse an Kühlflüssigkeit im ganzen
wie auch für jede einzelne Düse bedeutend ist, so ist eine nachhaltige Kühlwirkung
der durch die Rohrwandung hindurchgehenden Kühlflüssigkeit auf die Metallmasse des
Rohrs selbst gesichert. Jedenfalls ergibt sich auf diesem Weg eine erhebliche Verbesserung
gegenüber der als an sich bekannt anzusehenden Anordnung einzelner selbständiger
Streudüsen am Umfang der Rohrwandung, die von dieser lediglich gehalten werden,
besonders wenn solche unabhängig von der Rohrwandung eingesetzte Streudüse mit ihrem
Austrittskopf in das Rohrinnere hineinragen.
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Da es sich bei derartigen Vorrichtungen immer um die Bewältigung sehr
hoher Temperaturen des ab zukühlenden Gases handelt, muß von vornherein mit starken
Angriffsmöglichkeiten hieraus für den Baustoff der Kühlvorrichtung gerechnet werden.
Solchen Angriffen wird durch die erfindungsgemäße Bauweise der Vorrichtung wirksam
begegnet.
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Eine weitere, auf demselben Erfindungsgedanken beruhende Verbesserung
der Vorrichtung besteht erfindungsgemäß darin, daß jeweils einer Gruppe von Spiralstreudüsen
ein das Metallrohr umgebender Zufuhr- und Verteilkanal für die Kühlflüssigkeit,
dessen Umfangsfläche zum Teil durch die Rohrwandung gebildet wird, zugeordnet ist.
Durch diese Ausbildung wird der Strom der der Vorrichtung zugeführten Kühlflüssigkeit
dazu ausgenutzt, um schon vor dem Eintritt in die Diislen während seiner Verteilung
auf diese letzteren wesentliche Teile der Außenwandung des Metallrohrs zu bestreichen
und dadurch die Kühlwirkung auf das Rohr zu verstärken.
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Ein,e vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß das die eigentliche
Kühlvorrichtung darstellende Metallrohr senkrecht gestellt und an seinem oberen
Ende das Zufuhrrohr für das heiße, abzukühlende Gasgemisch, an seinem unteren Ende
ein Gaslabsperr- und -umschaltventil angeschlossen ist. Diese Anordnung ist besonders
für den Fall geeignet, daß der das heiße Gasgemisch liefernde Reaktionsofen regenerativ
betrieben, d. h. in regelmäßlig aufeinanderfolgenden Wechseln heiß geblasen und
zur Durchführung der Gas reaktion benutzt wird, so daß also in den Strom des vom
Ofen abziehenden heißen Gases ein Umschalt- bzw.
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Absperrventil einzufügen ist. Wenn hierfür die vorgeschilderte Ausführungs
form des Erfindungsgegenstandes angewendet wird, so, befindet sich das besagte Gasabsperr-
und -umsch.altventil im Gasstrom hinter der Kühlvorrichtung, bleibt also vor den
Einwirkungen höher Temperaturen bewahrt, und wird wegen seiner Anordnung am unteren
Ende der Vorrichtung von der überschüssig zugeführten Kühlflüssigkeit, d.'h. ihrem
nicht verdampfenden Anteil, durchströmt, weil diese Flüssigkeitsmasse von oben her
in das Ventil hinein und durch dieses fällt. Diese flüssig bleibende, angewärmte
Masse der Kühlflüssigkeit macht in der Regel den größten Teil ihrer ursprünglich
zugeführten Menge aus.
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In der Zeichnung stellt Abb. I ein Ausfülhrungsbtispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung als Ansicht, teilweise im Achsenschnitt dar, während Abb. 2 ein Teilausschnitt
der Abb. I zur deutlicheren Wiedergabe von Einzelheiten ist.
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Die Hauptteile der Vorrichtung nach Abb. I sind die eigentliche Kühlvorrichtung
1, ein Zufuhrrohr 2 für das abzukühlende Gasgemisch, ein Gasabsperr- und -umschaltventil
3 und ein zwischen diesem und der Vorrichtung 1 angeordnetes Kompensationsrohr 4
zum Ausgleich von Wärmedehnungen. Diese einzelnen Teile I bis 4 sind senkrecht übereinanderstehend
anzunehmen.
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Die Kühlvorrichtung 1 ist aus einem dickwandigen Metallrohr 5 gefertigt,
d'as mit einer größeren Anzahl von Durchbrechungen 6 am Umfang besetzt ist. Jede
derselben mündet mit einer Austrittsöffnung 7 in das Innere des Rohrs ein. In Abl.
I sind drei übereinander'l iegende Kränze solcher Druchbrechungen gezeichnet; in
jedem Kranz können über den ganzen Umfang etwa acht bis zwölf oder noch mehr solche
Durchbrechungen vorgesehen sein. Jede einzelne Durchbrechung dient zur Schaffung
einer Streudüse gemäß der im einzelnen noch zu erläuternden Abb. 2. Jeder Kranz
von Durchbrechungen 6 bzw. entsprechenden Streudüsen wird von dem das Metallrohr
am ganzen Umfang umgebenden Zufuhr- und Verteilkanal 8 umschlossen; dieser wird
aus einem ringförmigen, gegen das Rohr I bin offenen und auf ihm zweckmäßig durch
Schweißung befestigten Blechkasten 20 gebildet, wie Abb. 2 im einzelnen zeigt. In
jeden Verteilkanal mündet ein Zufuhrrohr 9 ein, in das ein Absperr- und Regelventil
10 eingefügt ist. Die Zufuhrrohre 9, 10 der verschiedenen Verteilkanäle 8 sind an
ein gemeinsames Speiserohr 11 angeschlossen, das sie mit der Kühlflüssigkeit versorgt.
Aus Abb. 2 ist im einzelnen zu er'kennen, daß die Durchbrechung der Rohrwandung
5 ,außer der Austritts-
öffnung 7 ein darananschließendes Konusstück
12, eine ringsum laufende ringkanalartige Aussparung I3 und ein Muttergewindestück
14 umfaßt. Diese Teile 12, 13, 14 umschließen als Mantel einen aus den Teilen 15
und 16 bestehenden Spiraleinsatz der Düse. Der Teil 15 enthält zwei in seine Umfangsfläche
eingeschnnittene, spiralig herumlafende Nutengänge 17. Der teil 16, mit dem der
ganze Spiraleinsatz in das Gewinde 14 des Rohrs 5 eingeschraubt wird, enthält eine
zentrale Bohrung I8, die durch Öffnungen 19 mit dem Ringkanal I3 der Rohrwandung
5 in Verbindung steht. Die beiden Spiralgänge 17 münden an ihrer Flüssigkeitseintrittsseite
in den Ringkanal I3, an ihrer Austrittsseite in den äußersten, von der Austrittsöffnung
7 liegenden freien Hohlraum des Durchbrechungsteils 12 der Rohrwandung 5 aus. Das
Rohr 5 besteht aus einem gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigen, schwer schmelzbaren
und zähen, nicht brüchigen Metall, etwa Flußeisen oder Stahlguß; es wird beispielsweise
aus einem ungefähr 30 mm starken Bilech durch Warmbeigen und Verschiweißen hergestellt.
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Das Zufuhrrohr 2 (Abb. I) für die abzukühlenden Gase besteht aus
einem Blechmantel 2I, der an seinem unteren Ende mit. dem oberen Rand des Metallrohrs
5 zu einem Stück verschweißt wird, und aus Ider feuerfesten Ausmauerung 22. Es ist
mit der Austrittsstelle des Reaktionsofens, der die heißen Gase liefert, unmittelbar
verbunden zu denken.
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Das Kompensationsrohr 3, das nur noch bereits abgekühlte Gase führt,
besteht lediglich aus einem dünnwandigen Blechmantel 23, der eine elastisch nachgiebige
Ausbauchung 24 enthält, und wird mit dem unteren Rande des Metallrohrs 5 ebenfalls
durch Verschweißen fest verbunden. Dieses Rohr 4 hat die Aufgabe, die in .der ganzen
Vorrichtung zwischen ihrer starren Abschluß an den Reaktionsofen oben und ihren
weiteren Rohranschlüssen unten auftretenden, wechselnden Wärmedehnungen infolge
der Temperatureinwirkungen auszugleichne.
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Das an das untere Ende des Kompensationsrohrs + angeschlossene Gasabsperr-
und umschaltventil 3 ist in Abb. 1 wesentlich schematisch als ein Doppeltellerventil
angedeutet (vgl. die darin punkfiert in Schließstellung gezeichneten beiden Ventilteller).
Die zwischen ihnen befindlichen inneren Einrichtungen zu ihrer Führung und Betätigung
sind, weil hier unerheblich, weggelassen.
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Im Betrieb der beschriebenen Vorrichtung wird, solange sich da.s
Ventil 3 in Offenstellung befindet, das zu kühlende Gasgemisch von oben her durch
das Rohr 2 zugeleitet, es gelangt durch die Kühlvorrichtung 1, weiter durch das
Kompensationsrohr 4 und das Ventil 3, vonwo aus seine Weiterleitung stattfindet.
Der Druck des Gases kann dabbei beliebig gewöhnlicher atmosphärischer, erhöhter
oder Unterdruck sein. Als ein Anwendungsbeispiel für den letzterwähnten Fall sei
etwa die Umwandlung von Methan oder methanreichem Ausgangsgas in Acetylen genannt,
,die bei starkem Unterdruck, ungefähr im Betrag von einem Zehntel des Atmospärendrucks,
durchgefürhrt werden kann, wobei die Höchsttemperatur, mit der idas Reaktionsgasgemisch
den Ofen verläßt und die Vorrichtung betritt, bei etwa I5000 liegt. Während des
Durchganges des heißen Gases wird aus dier Speiseleitung 11 Kühlwasser oder eine
andere geeignete Kühlflüssigkeit unter Druck zugeführt und über die einzelnen Zufuhrrohre
9 und Verteilkanäle 8 auf die sämtlichen Streudüsen der Kühlvorrichtung I verteilt.
Mit Hilfe der Spiralgänge I7 und der Austrittsöffnung 7 wird die Kühlflüssigkeit
bei jeder einzelnen Streudüse unter Zerstäubung in den freien Innenraum des Rohrs
5 und damit in den Gasstrom an zahlreichen Stellen nebelartig versprüht. Hierbei
wird namentlich durch die weitgehend eintretende Verdampfung eine plötzlich wirksame
Abkühlung -des heißen Gases erreicht.
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Ein erheblicher Teil der zugeführten Kühlflüssigkeit wird nicht verdampft,
nur angewärmt und gelangt aus der Kühlvorrichtung 1 über das Kompensationsrohr 4
abwärts in das offen stehende Ventil 3 hinein, das schließlich dieser Rest von Flüssigkeitsmasse
zusammen mit dem abgekühlten Gas unten verläßt.
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Man kann selbst bei hochliegenden Anfangstemperaturen ,des beißen
zu kühlenden Gases Endtemperaturen desselben erzielen, die verhältnismäßig niedrig,
etwa bei 100 bis 300°, liegen. Die Berührung der frisch zugeführten Kühlflüssigkeit
mit dem Metallrohr 5 in den Durchbrechungen 6 und längs der Verteilkanäle 8 sorgt
in Verbindung mit dem hohen Wärmeleitvermögen der Metallmasse des Rohes dafür, daß
das Rohr s'elbst nur verhältnismäßig niedrige, weit unter der Höchsttemper-atur
des zu kühlenden Gases liegende Temperaturen annimmt. Es ist daher auch mit feinen
Benetzungen der inneren Oberfläche des Rohrs 5 durch Anteile der zerrstäubten Kühlflüssigkeit
zu rechnen; da solche Benetzungsfilem unter der Einwirkung der hohen Gastemperaturen
ständing wieder verdampfen, wird hiermit die Kühlhaltung des Rohrs 5 zusätzlich
verbessert. Infolgedessen wird aber auch das Rohr selbst ungeachtet der Einwirkungen
hoher Temperaturen geschont und lange Zeit betriebsfähig erhalten.
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Die Baulänge des Rohrs 5 der Kühlvorrichtung I im Verhältnis zu seinem
Dnrchmesser richtet sich nach den im Einzelfall gegebenen Arbeitsbeldingungen. Sie
kann größer, unter Umständen erheblich größer als in Abb. 1 gezeichnet sein, und
ebenso kann selbstverständlich die Anzahl der übereinanderstehenden Streudüsenkränze
mehr als nur drei, wie in Abb. I, betragen. Eine verhältnismäßig kurze und gedrungene
Bauart, wie gezeichnet, hat immer den Vorzug, daß die Zeitdauer des Kühlvorgangs
verkürzt und damit die Fixierung Ides Reaktionsergebnisses sicherer erreicht wird.