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Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthalten- den Gasmischungen
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tionskammer unmittelbar an eine Vorkühlzone für die Reaktionsprodukte angrenzt, wobei die
Wandung dieses Raumes gleichzeitig die innere
Wandung des Wärmeaustauschers bildet, der die
Vorkühlzone umgibt, und der Übergang von der
Vorkühlzone in die Kühlrohre des Wärmeaus- tauschers sich an der Seite der Vorkühlzone befindet, die von der Reaktionskammer wegzeigt.
Im Vergleich mit bekannten Vorrichtungen be- sitzt die erfindungsgemässe Vorrichtung den Vor- zug, dass die Einströmtemperatur der Gase in die
Kühlrohre erheblich erniedrigt ist, z. B. auf etwa
900 C, und infolgedessen die Anforderungen an das Material nicht so hoch sind, wodurch Schwierigkeiten an den Schweissstellen vermieden werden.
Dies hat auch eine grössere Betriebssicherheit zur Folge. Ein grundsätzlicher Verlust an Wärme entsteht nicht, da die in der Vorkühlzone abgegebene Wärme ebenfalls vom Wärmeaustauscher absorbiert wird.
Bekannt ist eine Vorrichtung, bei der der Wärmeaustauscher den Reaktionsraum umgibt.
Diese Vorrichtung ist nicht mit einer Vorkühlzone versehen und die Verbindung der Rohre ist aus diesem Grunde sehr ungünstig, so dass dieseVorrichtung die oben erwähnten Nachteile aufweist.
Erfindungsgemäss kann der Reaktionsraum sowie die Vorkühlzone und der Wärmeaustauscher im wesentlichen zylindrisches Aussehen haben und auf einer gemeinsamen Achse liegen, wobei die Vorkühlzone die Verlängerung der Reaktionszone darstellt.
Auf der der Vorkühlzone abgewandten Seite steht die Reaktionszone vorzugsweise mit einer koaxialen praktisch zylindrischen Rotationskammer über eine zentral angeordnete verengte Öffnung in Verbindung, durch die die Reaktionskomponenten in die Reaktionskammer zugeführt werden.
Eine derartige Konstruktion ermöglicht ein sehr gründliches Mischen von Kohlenwasserstoff, Sauerstoff und gegebenfalls verwendetem Dampf. Infolgedessen beschränkt sich die Reaktion auf einen kleinen Raum, sie ist sehr stabil und liefert sehr hohe Gastemperaturen. Das Flammenbild des Reaktionsmediums besitzt die Form eines
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doppelten ringförmigen Wirbels, eine Form, die eine sehr günstige Wirkung auf den Beginn der Reaktion auf der Einlassseite der Reaktionskammer ausübt und nur eine geringe Länge in axialer Richtung besitzt. Demzufolge kann der Reaktionsraum klein gehalten werden, was für die Gesamtlänge der Reaktionszone und der Vorkühlzone sehr günstig ist.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Vorkühlzone, der an die Reaktionszone grenzt, auf der Innenseite mit einer feuerfesten Auskleidung versehen, die die Wärme zurückhält, was auch von der hitzewiderstandsfähigen Wandung des Reaktionsraumes bewirkt wird. Auf diese Weise wird ein unerwünschter Temperaturfall in der Reaktionskammer infolge zu starken Wärmeverlustes in der unmittelbaren Nachbarschaft des Vorkühlers vermieden.
Die im Wärmeaustauscher angeordneten Kühlrohre können spiralig und derart angeordnet sein, dass sich die Rohre mehrmals rund um die Vorkühlzone winden. Eine derartige Anordnung erhöht die Kühlfläche je Kühlrohr und erniedrigt auch die Anzahl der für den gesamten Kühlraum
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Gase in den Rohren ist hiebei erhöht, was sich günstig auf die Verhinderung der Kohlenstoffablagerung auf die Wandung der Rohre auswirkt.
Darüber hinaus ist ein spiraliges Rohr besonders günstig, da in ihm sekundäre Strömungen hervorgerufen werden, z. B. durch Zentrifugalkräfte, die ebenfalls der Ablagerung von Kohlenstoff entgegenwirken.
Sowohl spiralige Rohre als auch anders gebogene Rohre können mit Erfolg Verwendung finden.
Beispielsweise seien haarnadelförmige Rohre erwähnt, deren Gesamtlänge und damit ihre kühlende Oberfläche durch die Anzahl der Knie geregelt werden kann.
Um eine gute Zirkulation des Kühlmittels insbesondere entlang der Wandung der Vorkühlzone sicherzustellen, istder Einlass fürdas indenWärme- austauscher zugeführte Kühlmittel vorzugsweise zentral gegenüber dem Boden der Vorkühlzone angeordnet. Dieser Einlass ist mit einem aufstehenden Flansch umgeben, der auf den Boden des Wärmeaustauschers derartig passt, dass das einströmende Kühlmittel entlang der Bodenplatte geführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Wasserstoff und Kohlenoxyd enthaltenden Gasmischung durch teilweise Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff, gegebenenfalls unter Zufuhr von Dampf, wobei die Reaktion bei erhöhtem Druck insbesondere zwischen 5 und 35atm stattfindet, mit Hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung ; hiebei entstehen Reaktionsprodukte mit einer Temperatur zwischen 1200 und 1600 C, die in einem Wärmeaustauscher abgekühlt werden.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden die heissen Gase zunächst im Gegenstrom zum Kühlmittelstrom mit verhältnismässig niedriger Strömungsgeschwindigkeit zentral durch den
Wärmeaustauscher geführt, hier auf etwa 9000 C abgekühlt und dann mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in zum Kühlmittelstrom parallelen Strom durch den Wärmeaustauscher geleitet und weiter abgekühlt.
Der Druck des Kühlmittels im Wärmeaustauscher ist vorzugsweise gleich dem Druck der Reaktionsprodukte, so dass nur die Aussenwand des Wärmeaustauschers dem Druck auf einer Seite ausgesetzt ist.
Die Erfindung soll an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert werden.
Fig. l zeigt im Aufriss eine erfindungsgemässe Vorrichtung. In der Fig. 2 ist ebenfalls im Aufriss eine andere erfindungsgemässe Ausführungsform wiedergegeben.
In den Zeichnungen bedeutet 1 der Reaktionsraum, der mit der Vorkammer 3 durch eine Öffnung oder einen Hals 2 in Verbindung steht.
Eine zentrale Kammer oder Vorkühlzone 4 grenzt an das andere offene Ende der Reaktionskammer 1 an, wobei diese Zone durch den Wärmeaustauscher 5 umgeben ist. Der Wärmeaustauscher ist mit einer Einlassöffnung 6 und einem Ausgang 7 für das Kühlmittel versehen. Eine Reihe von Kühlrohren 8 sind in dem Wärmeaustauscher angeordnet, die auf einer Seite mit dem Boden 14 der Vorkühlzone 4 und auf der andern Seite mit dem Gasabnehmer 9 in Verbindung stehen. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind 8 Rohre, die jeweils aus einem Knie und einem geraden Teil bestehen, parallel angeordnet, während in der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, zwei spiralige Rohre in paralleler Anordnung zueinander stehen.
Die Reaktionskammer 1 ist mit einer feuerfesten Auskleidung 10 ausgerüstet, während die Vorkühlzone 4 eine derartige Auskleidung 11 nur in der unmittelbaren Nähe der Reaktionskammer aufweist. Der grössere Teil der Metallwandung 12 ist nicht ausgekleidet. Das Einlassrohr 6 des Vorkühlers ist mit einem aufwärts stehenden Flansch oder Kreis 13 umgeben, der an dem Boden des Wärmeaustauschers 5 befestigt ist.
Der Gasabnehmer 9 ist mit einer Anzahl von Verschlussstücken bzw. Stöpseln 15 versehen, wobei ein Stöpsel zur Erleichterung der Kontrolle und zur Reinigung der Rohre der Eintrittstelle des Kühlrohres 8 in den Gasabnehmer 9 gegenüberliegt. Am Gasabnehmer 9 befindet sich ein Gasausgang 16.
Die Reaktionskammer ist vom Kühlraum 18 umgeben, durch den man Wasser auf bekannte Weise kreisen lassen kann. Gegebenenfalls kann das Kühlwasser der Kühlzone 18 gleichzeitig auch durch den Wärmeaustauscher 5 geleitet werden.
Der Mantel des Wärmeaustauschers ist durch die Flansche 19 und 20 in zwei Teile geteilt, so dass das Äussere der Kühlrohre 8 der Reinigung oder der Kontrolle zugänglich ist. Im Betrieb werden die zur Reaktion benötigten Medien aus der Vorkammer 3 durch die Öffnung 2 in die Reaktionskammer 1 geführt. Das Medium kann
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z. B. ein flüssiger Kohlenwasserstoff sein, wie es bei den hier beschriebenen Beispielen der Fall ist, der über den Brenner 17 durch die Mitte der Öffnung 2 in den Reaktionsraum versprüht wird.
Die andern Medien, wie Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder ein anderes Gas, das freien Sauerstoff enthält, gegebenenfalls zusammen mit Dampf, werden über die Vorkammer 3 um den Brenner 17, vorzugsweise in rotierender Bewegung der Öffnung2 zugeführt, bei der inniges Vermischen mit dem zerstäubten Kohlenwasserstoff stattfindet. Die Reaktion selbst verläuft vollständig innerhalb der Reaktionskammer, wobei die Temperatur etwa 1400-2000 C beträgt. Die Reaktionsprodukte treten in die Vorkühlzone 4 mit sehr hoher Temperatur ein. Die Auskleidung 11 in der Nähe der Reaktionskammer bewirkt ein Zurückhalten der Wärme in der Reaktionskammer, so dass hier eine hohe Temperatur aufrechterhalten wird.
Infolge der Kühlwirkung der Vorkühlzone 4 wird die Temperatur der Gase, wie bereits oben kurz angedeutet, beträchtlich erniedrigt, z. B. auf etwa 9000 C. In der Nähe des Bodens 14 der Vorkühlzone treten die heissen Gase in die Rohre 8 ein, in denen sie weiter abgekühlt werden.
Schliesslich werden die abgekühlten Gase im Gasabnehmer 9 gesammelt und verlassen die Vorrichtung über den Ausgang 16.
Die Reaktion erfolgt bei höheren Drücken. Im Wärmeaustauscher kann der Druck derart geregelt werden, dass er gleich dem Reaktionsdruck ist. Bei der Durchführung des Verfahrens ist die Wandung des Vorkühlers dem Druck von zwei Seiten ausgesetzt, so dass die mechanische Belastung an dieser Wandung günstig ist.
Aus den gezeigten Ausführungsformen ist unmittelbar ersichtlich, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung von gedrängter Konstruktion ist. Die Einsparung an Material infolge der Vermeidung von Verbindungsrohren zwischen den einzelnen Teilen hat eine Einsparung von Isolierungsmaterial zur Folge. Andere Vorzüge wurden bereits weiter oben angedeutet, z. B. die geringeren Ansprüche an das Material und die grössere Betriebssicherheit.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasmischungen durch teilweise Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes mit Sauerstoff, gegebenenfalls unter Dampfzufuhr, wobei die Verbrennung bei höheren Drücken, insbesondere zwischen 5 und 35 atm, stattfindet, die mit einer Reaktionskammer versehen ist, die an einem Ende mindestens eine Öffnung zur Zufuhr der Reaktionspartner aufweist und am andern Ende offen ist und die auch einen mit Zu- und Abflussmöglichkeiten für das Kühlmittel versehenen Wärmeaustauscher ent- hält, der mindestens ein Kühlrohr zur Hindurchleitung der Reaktionsprodukte aufweist, an dessen Ende die Reaktionsprodukte zur beliebig weiteren Verwendung abgezogen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das offene Ende der Reak-
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an der Seite der Vorkühlzone befindet,
die von der Reaktionskammer (1) wegzeigt.