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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen
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sen innere und äussere Wände einen Winkel von ungefähr 140 einschliessen, welcher Raum die Mischzone mit dem Verteiler verbindet.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dadurch ausgezeichnet, dass jede ringförmige Expansionskammer mit radialen Durchbohrungen für die Einspritzung des Sauerstoffes versehen ist. Erfindungsgemäss sind diese Einspritzöffnungen für den Sauerstoff am Umfang der Mischzone schachbrettförmig verteilt.
Infolge dieses Verfahrens und dieser Vorrichtung erzielt man eine vollkommen homogene Vermi- schung der gasförmigen Reagenzien am Ausgang der ringförmigen, länglichen und eigen Zone, sowie eine homogene Verteilung in dem sich erweiternden Raum, der nur noch als Verbindungsteil zwischen der
Mischzone und dem Verteiler dient. Man vermeidet so jegliche Anhäufung von Sauerstoff inmitten des
Gasgemisches, welche Bedingung insbesondere sehr wichtig ist, wenn man Vorzündungen in der Mischvor, richtung vermeiden will.
Tatsächlich sind am Ausgang der ringförmigen Mischzone, wenn die reagierenden Gase nicht vollkommen und homogen gemischt sind und daher ein lokaler Überschuss an Sauerstoff in der Mischung besteht, die Bedingungen für eine Vorzündung bei einer gegebenen Vorerhitzungstemperatur und einer gegebenen Verweildauer erfüllt.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Beschreibung einer Mischvorrichtung, wie sie die Figur der Zeichnung im Vertikalschnitt zeigt und die ein Ausführungsbeispiel darstellt, besser zu verstehen sein.
Die Mischvorrichtung, aus hitzebeständigem Stahl hergestellt, besteht aus einem ringförmigen, sich verengenden Raum 1, einer ringförmigen, engen und länglichen Zone oder Mischzone 2, einem ringförmigen, sich erweiternden Raum 3, einem Verteiler 4 und einer Verbrennungskammer 5. Die Räume 1 und 3 und die Mischzone 2 umgeben einen hohlen, konischen, zentralen Kern 6, dessen Spitze 7 im Mittelpunkt des Verteilers 4 liegt.
Der hohle, zentrale Kern-wird fast in seiner ganzen Länge von einer Leitung 8 durchdrungen, welche einen Teil des zur teilweisen Verbrennung erforderlichen Sauerstoffes zuführt. Die ringförmige Zone 2 ist von einem zylindrischen Ringkörper 9 umgeben, der mit der Leitung 10 für die Zuführung des restlichen Sauerstoffes versehen ist. Der obere Teil des sich verengenden Raumes 1 ist ebenfalls von einem Ringkörper 11 mit einer Leitung 12 umgeben, um den zu behandelnden Kohlenwasserstoff zuführen zu können, welcher in den Raum 1 durch die Öffnungen 13 eintritt.
Die ringförmige Mischzone 2 besteht aus einer Folge von kleinen, ringförmigen gestaffelten Expansionskammern 14, welche untereinander durch enge und kurze Verbindungsstücke 15 zusammenhängen.
An ihren Wänden besitzen die Räume 14 eine Reihe von Öffnungen 16 mit kleinemDurchmesser, um die Einführung des Sauerstoffes, welcher mittels der Leitungen 10 und 8 herangeführt wird, zu ermöglichen.
Die Öffnungen 16 sind schachbrettartig angeordnet. Anderseits ist die ringförmige Zone 2 leicht kegelstumpfartig ausgebildet, damit bei der fortschreitenden Sauerstoffzufuhr die Geschwindigkeit der Strömung konstant bleibt.
Bei normalem Betrieb des Ofens wird der zu behandelnde vorgewärmte Kohlenwasserstoff über die Leitung 12 zugeführt, strömt in den Ringkörper 11 ein und dringt durch die Öffnungen 13 in den oberen Teil des Raumes l ein. Infolge der Querschnittsabnahme dieses Raumes-nimmt die Geschwindigkeit des Kohlenwasserstoffes zu. Der Kohlenwasserstoff dringt dann in die ringförmige Zone 2 ein. Das andere reagierende Gas, z. B. der Sauerstoff, welcher ebenfalls vorgewärmt ist, wird praktisch in gleichen Volumina durch die Leitungen 8 und 10 zugeführt. Der durch die Leitung 8 zugeführte Sauerstoff gelangt in den ringförmigen Raum 6 des Zentralkernes, von wo aus er in die gestaffelten Expansionskammern 14 eingespritzt wird.
Ebenso wird der Sauerstoff, welcher durch die Leitung 10 zugeführt wird, nach Passieren des Ringkörpers 9 in die gestaffelten Expansionskammern 14 eingespritzt. Auf diese Art verwirklicht man eine stufenweise Einführung des Sauerstoffes, senkrecht zur Durchtrittsbewegung des Kohlenwasserstoffes und erzielt dadurch in jeder Kammer 14 eine Wirbelbewegung des Kohlenwasserstoffes und des Sauerstoffes. Indem man diese vervielfacht, erleichtert man auf diese Art die Vermischung des Kohlenwasserstoffes und des Sauerstoffes, welche sich derart schnell und vollkommen vollzieht, dass man am Ausgang der Zone 2 ein homogenes Gemisch von Kohlenwasserstoff und Sauerstoff erzielt.
Anderseits wird durch die progressive Einführung des Sauerstoffes in den Kohlenwasserstoff das Gemisch im Zuge seines Aufbaues immer einen Mangel an Sauerstoff aufweisen, denn erst am Ausgang der Mischzone 2 wird das gewünschte Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenwasserstoff erreicht. Es ist zweckmässig, das Volumen der Expansionskammern 14 vom Raum 1 zum Raum 3 allmählich zu vergrössern, damit die gasförmigen Reagenzien im Verlauf der Vermischung dieselben Geschwindigkeiten beibehalten und übermä- ssige Druckverluste vermieden werden. Anderseits ist es besonders zweckmässig, über eine grosse Anzahl von Einblasdüsen für den Sauerstoff zu verfügen, die schachbrettartig derart angeordnet sind, dass die ein-
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ander entsprechenden Sauerstoffstrahlen der Räume 9 und 6 gegeneinander gerichtet sind.
Da die Vermischung der gasförmigen Reagenzien am Ausgang der ringförmigen Zone 2 beendet ist, dient der Raum 3 nur zur Verbindung des Ausganges der Zone 2 mit dem Verteiler 4 und stellt nur eine Verbindungs- und Expansionszone für das Gasgemisch dar. Um eine homogene Verteilung des Gasgemisches im Verteiler 4 zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Projektion des mittleren Kranzes der ringförmigen Mischzone 2 auf dem Verteiler 4 zwei Abschnitte bestimmt (ein ringförmiger Abschnitt A, B, welcher einen zentralen Abschnitt C, D umgibt), welche praktisch gleiche Oberflächen haben.
Der Winkel an der Spitze des von den Wänden17 und 18 eingeschlossenen Raumes 3 beträgt vorzugsweise 140. Ein Winkel kleiner als etwa 140 würde den sich erweiternden Raum 3 unnötig verlängern. Anderseits würde ein Winkel grösser als 140 es zwar gestatten, die BauhöhediesesRaumes3 zu verringern, dadurch würde in diesem Raum aber die Gefahr des Auftretens von toten Zonen, d. h. von Zonen, in denen sich das gasförmige Gemisch wesentlich länger aufhalten würde, als es der mittleren Aufenthaltszeit entspricht, bestehen.
Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung sichert eine schnelle und innige Vermischung der heissen reagierenden Gase in sehr kurzer Zeit. Zahlreiche Versuchsproben, verschiedenen Stellen am Ausgang der ringförmigen Zone2 entnommen, bestätigen die Gleichförmigkeit des Gehaltes an Sauerstoff im Gasgemisch.
Anderseits strömt das Gemisch auf kürzestem Wege in den sich erweiternden Raum 3, wodurch wegen des gewählten Öffnungswinkels (von etwa 140) und dem geringen Volumen dieses Raumes 3, dessen Höhe kleiner ist als dem zweifachen des grössten Durchmessers entspricht, ein kurzer Verbleib sichergestellt ist.
Unter diesen Bedingungen ist es also gestattet, die reagierenden Gase bis zu einer Grenztemperatur vorzuheizen, welche eine Funktion der Zeit ist, die die Gase in der Mischvorrichtung und im Verbindungsteil verbringen. Dies ist insbesondere vom technischen Standpunkt aus ein Vorteil, denn eine Erhöhung un 500 C der Vorheiztemperatur ergibt ein Ersparnis von etwa 0, 2 t Sauerstoff und von 230 bis 250m3 Me - than je Tonne Azetylen im Pyrolyserohgas.
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung hat eine Höhe von1965 mm zwischen dem äusseren Eintritt der Leitung 8 und dem Verteiler 4. Sie enthält eine zentrale Leitung 8 mit einem Durchmesser von 150 mm, die von einem hohlen, zentralen Kern 6 umgeben ist, dessen Spitze im Mittelpunkt des Verteilers liegt. Der zylindrische Verteiler hat einen Durchmesser von 430 mm. Der ringförmige, sich Verengende Raum 1 hat eine Höhe von 945 mm und endigt in einem ringförmigen Spalt'von 16 mm Breite. Die ringförmige Zone für den Kontakt und die Vermischung hat eine Gesamthöhe von 193 mm und sie enthält
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erste Kammer ist 15 mm hoch und hat eine Breite von 32 mm, wogegen die letzte eine Höhe von 22 mm besitzt und 46 mm breit ist.
Jede dieser Kammern ist mit der folgenden durch einen engeren, ringförmigen Schlitz von etwa 5 mm Höhe verbunden, dessen Breite von 16 mm beim ersten Schlitz, welcher die erste Kammer mit dem sich verengenden Raum 1 verbindet, bis auf 25 mm beim letzten Schlitz, welcher die letzte Kammer mit dem sich erweiternden Raum 3 verbindet, ansteigt. Die Mischzone 2 ist von einem zylindrischen Ringkörper 9 für die Zuführung eines Teiles des Sauerstoffes umgeben und sie selbst umschliesst den zentralen Kern 6, der zur Zuführung des restlichen Sauerstoffes dient. Der zylindrische Ringkörper 9 und der zentrale Kern 6 sind jeder für sich mit jeder Expansionskammer 14 der Zone 2 durch 72 Öffnungen mit 3 mm Durchmesser verbunden, die regelmässig und schachbrettartig versetzt angeordnet sind.
Die Zone 2 zur Herstellung des Kontaktes und zur Vermischung der Reagenzien wird durch den sich erweiternden Raum 3 mit einer Höhe von 830 mm verlängert, welcher an der Spitze zwischen den Wänden17 und 18 einen Winkel von 140 einschliesst. Dieser Raum dient ausschliesslich dazu, die Zone 2 mit dem Verteiler 4 zu verbinden, der einen Durchmesser von 430 mm und eine Höhe von 215 mm besitzt und von parallelen Kanälen durchdrungen wird, die in die Reaktionskammer führen.
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l.eingeführt, das auf 6500 C bei einem Druck von 1, 25 atm abs. vorgeheizt ist. Das Methan strömt dutch den ringförmigen zylindrischen Körper 11., dann durch die Öffnung 13 in den sich verengenden Raum l, wobei es beim Eintritt in denselben eine lineare Geschwindigkeit von ungefähr 90 m/sec besitzt.
Durch die Leitung 8 werden 550 mS Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von 97% (enthaltend 3% Stick-
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stoff) je Stunde eingeführt, welcher auf 6500 C vorerhitzt ist und sich unter einem Druck von 1, 3 atm abs. befindet. Nach Durchlaufen der Leitung 8 tritt der Sauerstoff in den ringförmigen Raum des zentralen Kernes 6 ein, wobei er diese Leitung umgibt und wird dann durch 576 Öffnungen 16 in die acht Expansionskammern14 mit einer Geschwindigkeit von etwa 140 m/sec eingeblasen. Der restliche Sauerstoff, et-
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?körper 9 geleitet, von wo aus er unter denselben Bedingungen, d. h. durch 576 Öffnungen mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 140 m/sec in die acht Kammern eingeblasen wird.
Die Reagenzien werden auf diese Art schnell miteinander in Kontakt gebracht und vermischen sich innig durch die Wirbelung in den acht Kammern 14. Das Gemisch gelangt hierauf in den sich erweiternden Raum 3. welcher eine homogene Verteilung in die Kanäle des Verteilers 4 sichert, so dass der Durchfluss in jedem Kanal praktisch derselbe ist.
Beim Eintritt in die Reaktionskammer 5. entzündet sich die Mischung und das Methan wird einer teilweisen Verbrennung unterworfen, wobei die Flamme durch Hinzufügen von Hilfssauerstoff, etwa 100 m ?/h, stabilisiert wird.
Das Gas. welches durch diese Verbrennung erhalten wird (ungefähr 3800 m3Jh trockenes Gas), enthält etwa 7, 80/0 Azetylen.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Vermischung gasförmiger oder vergaster Kohlenwasserstoffe mit einem gasförmigen Sauerstoffträger zur Speisung eines Brenners für die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der gasförmigen Reagenzien durch gestaffelte Einführung von Sauerstoff in den Kohlenwasserstoffstrom in mehreren, aufeinanderfolgenden Stufen in einer Mischzone erfolgt, die sich aus einer Reihe kleiner ringförmiger Expansionskammern zusammensetzt, welche miteinander durch ringförmige, enge Schlitze verbunden sind,
wobei Schlitzquerschnitt und Volumen der Ex- pansionskammer in Strömungsnchtung von Kammer zu Kammer zunehmen und die Einführung des Sauerstoffes in jeder Expansionskammer in Form einer Vielzahl von Strahlen vorgenommen wird, die einander entgegengesetzt und senkrecht zur Strömungsrichtung des Kohlenwasserstoffes angeordnet sind, worauf
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Raum die Mischzone mit dem Verteiler verbindet.