Ofen mit Aussenkühlung zur Gewinnung von Chlorwasserstoffgas aus Chlor und Wasserstoff Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen mit Aussenkühlung zur Gewinnung von Chlorwasserstoffgas aus Chlor und Wasserstoff. Bei der Verbrennung von Chlor- und Wasserstoffgas zu Chlorwasserstoffgas wer den erhebliche Mengen an Reaktionswärme frei. Die für derartige Prozesse üblicherweise verwendeten Reak tionsöfen werden, um eine Überhitzung der Brennkam- merwand zu vermeiden, in der Regel von aussen mit Wasser gekühlt, weil ein Teil der freiwerdenden Reak tionswärme durch Abstrahlung und Konvektion an die Brennkammerwand abgegeben wird. Der andere Teil der Reaktionswärme wird vom Chlorwasserstoffgas auf genommen, so dass dessen Temperatur beim Verlassen des Ofens noch immer sehr hoch ist.
Sie ist in der Regel so hoch, dass das Chlorwasserstoffgas, bevor es seiner Verwendungsstelle, z. B. einem Chlorwasserstoff-Ab sorptionsapparat, einem Chlorierungsapparat oder Lager tanks zugeführt wird, in Wärmeaustauschern oder was sergekühlten Leitungen abgekühlt werden muss.
Es sind auch Verbrennungsöfen bekannt, die zur Abkühlung der Gase innerhalb der Brennkammer Kühl elemente aufweisen, z. B. in Form von fingerartigen Rohren oder anderen Wärmeaustauschern. Eine andere Möglichkeit, die Temperatur des erhaltenen Chlorwas serstoffgases herabzusetzen, besteht in der Anwendung einer zusätzlichen Filmkühlung, womit gleichzeitig eine Absorption der! Säure verbunden sein kann.
Die bei der Verbrennung von Chlor und Wasserstoff entstehende Wärme tritt in einem überwiegenden Anteil als Gas- und Flammenstrahlung auf. Bei Verwendung eines Wärmeaustauschers der bekannten Art, bei dem vorwiegend die konvektiv übertragene Wärme abgeleitet wird, ist daher eine Abkühlung nur bis zu einem be stimmten Masse erreichbar. Eine weitgehende Abküh lung wird nur dann erhalten, wenn man zusätzliche Ap paraturen, die den Prozess aber sehr verteuern, einbaut. Es bleibt daher nach wie vor die Aufgabe, auf einfache Weise das erhaltene Chlorwasserstoffgas hoher Tempe- ratur so weit abzukühlen, dass es für die Weiterverar beitung geeignet ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für die Verarbeitung von Salzsäure sich in der chemi schen Industrie Apparate aus imprägniertem Graphit besonders bewährt haben. Die für die Verdichtung des Graphits verwendeten Imprägnierungsmittel verlangen jedoch Arbeitstemperaturen, die nicht über etwa 160 C liegen. Auf dieser Grundlage ergibt sich die Forderung, das Chlorwasserstoffgas vor seiner Verwendung in sol chen Apparaturen auf mindestens 160 C abzukühlen. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass unter Verwen dung eines Ofens mit Aussenkühlung zur Gewinnung von Chlorwasserstoffgas erfindungsgemäss die Innen fläche der Brennkammerwandung über das sich aus ihrer Grundform (z.
B. einer zylindrischen, kubischen, kugel förmigen oder ähnlichen Form) ergebende Mass im Sinne einer Erhöhung der Wärmeabsorptionsfähigkeit ver- grössert ist. Diese Lösung gestattet eine sehr weitgehende Kühlung mit hohem Nutzeffekt, ohne dass zusätzliche Einrichtungen in- oder ausserhalb der Brennkammer not wendig wären oder dass die Apparatur vergrössert wer den müsste.
Der durch Strahlung abgegebene Wärmeanteil wird bei dem erfindungsgemässen Ofen mit hohem Nutzeffekt dem Kühlkreislauf zugeführt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Brennkammerwand zur Erhöhung der Wärmeabsorptionsfähigkeit innen, vorzugsweise in der Strahlungszone, mit Rippen versehen ist, die vorzugs weise aus dem gleichen Material wie die Brennkammer- wandung bestehen. Die Rippen werden insbesondere so ausgebildet, dass sie sich relativ zur Strahlungsrichtung gegenseitig nicht abdecken, d. h. also, dass ihre gesamte Oberfläche angestrahlt wird.
Es ist vorteilhaft, die Rip pen etwa parallel zur Ofenlängsachse anzuordnen oder - bei einem zylindrischen Ofen in den die Wasserstoff und die Chlorkomponente vom Boden her eintreten -, die Rippen etwa senkrecht zur Richtung der Ofenachse, vorzugsweise in Form einer Schraubenlinie, anzuordnen. Die Rippenform selbst kann von beliebigem Querschnitt sein, vorzugsweise wird sie dreieckig oder trapezförmig gewählt. Bei solchen Rippenformen ist eine besonders gute Ausleuchtung sichergestellt.
Aber auch Querrippen in Form von Schraubenlinien bieten insofern Vorteile, als sie für eine gute Durchwirbelung der Verbrennungsgase (des Chlorwasserstoffgases) in der Randzone der Brenn- kammerwand sorgen. Besonders die konvektive Wärme übertragung aus dem Gas in die wassergekühlten Mantel flächen der Brennkammer wird dadurch gefördert. Aus- serdem ist es technisch sehr einfach, solche Rippen her zustellen. An die Stelle des glatten Ausdrehens der Brenn- kammerwand tritt lediglich ein Ausdrehen mit entspre chender Profilgebung durch einen gewöhnlichen Form stahl.
Ein zusätzlicher Arbeitsgang ist nicht erforderlich.
Um den besten Wirkungsgrad des erfindungsgemäs sen Ofens zu erreichen, besteht die Brennkammerwand aus einem Stoff, dessen Wärmeabsorptionskoeffizient über das ganze Strahlungsspektrum nahezu gleich der Zahl 1 ist. Diese Forderung wird weitgehend erfüllt, wenn die Brennkammerwand aus Graphit, vorzugsweise aus gasdichtem Graphit, besteht. Dabei sind noch weitere Vorteile mit eingeschlossen. Dieser Werkstoff wird näm lich von dem entstehenden Salzsäuregas chemisch nicht angegriffen, er weist ausserdem eine sehr hohe Tempe- raturspannungsbeständigkeit auf.
Weitere Kühleinrichtungen, wie sie sonst notwendig sind, können hier wegfallen. Der Ofen arbeitet mit einem sehr grossen Nutzeffekt, ohne dass er mehr Raum als der bisher übliche Ofen beansprucht. Er ist auch wirt schaftlicher und benötigt weniger Wartung.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des mehr oder weniger sche matisch dargestellten Ausführungsbeispiels; es zeigt Fig. 1 im Längsschnitt das Ausführungsbeispiel eines Ofens mit gerippter Innenwandung der Brennkammer; Fig. 2 den mit A bezeichneten Ausschnitt aus Fig. 1, und zwar in vergrössertem Massstab; Fig. 3 in einem grösseren Massstab einen Querschnitt durch einen Teil der Brennkammer in einer abgewandel ten Ausführungsform.
Bei dem Ofen nach Fig. 1 und 2 ist die Brennkam- merwand 1 unter Belassung eines zylindrischen Zwi schenraums 3 - zur Hindurchleitung von Kühlwasser oder eines flüssigen _ oder gasförmigen sonstigen Kühl mittels - von einem Stahlmantel 2 umgeben. Das Kühl wasser tritt durch den Stutzen 4 in der Nähe des Ofen bodens in den Zwischenraum 3 ein und verlässt ihn an seinem oberen Ende durch den Stutzen 5. In den Boden der Brennkammerwand 1 ist ein Brenner 6 eingesetzt. Er besteht aus zwei zueinander zylindrisch angeordneten Leitungen 7 und B. Die Leitung 8 ist unten abgeschlos sen. Sie hat einen seitlichen Stutzen 8a zur Einführung des Wasserstoffgases.
Durch den Boden des Teils 8 ist das Rohr dicht hindurchgeführt; es dient zur Zuleitung des Chlorgases. Die Gase verbrennen in der Verbrennungskammer 9 zu Chlorwasserstoff und erzeugen dabei eine hohe Reak tionswärme. Diese Reaktionswärme tritt teils als Flam menstrahlung auf oder wird von dem Chlorwasserstoff gas aufgenommen. Um einen möglichst grossen Anteil dieser Reaktionswärme an die Brennkammerwand über zuführen und dadurch die Temperatur des Chlorwasser stoffgases zu erniedrigen, ist die Innenfläche der Brenn- kammerwand mit Rippen versehen. In Fig. 2 ist ein vergrösserter Schnitt durch die Brennkammerwand dar- gestellt.
Daraus lässt sich entnehmen, dass die Brenn- kammerwand 1 innen quer zur Längsachse verlaufende Rippen 10 aufweist, deren Tiefe (bzw. Höhe) bei Öfen von etwa 200 bis 1000 mm lichtem Querschnitt vorzugs weise etwa 10 mm beträgt. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, ist für die Rippenflanken ein Neigungswinkel von etwa 60 gewählt, um eine möglichst gute Ausleuchtung der gesamten Oberfläche der Brennkammerwand 1 zu errei chen und damit ein Sich-Abdecken der Rippen zu ver meiden.
Bei der Abwandlung nach Fig. 3 verlaufen die hier mit 11 bezeichneten - Rippen der Brennkammer- wand 1 in Richtung der Ofenachse. Im übrigen kann diese Ausführung mit der nach Fig. 1 und 2 überein stimmen.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 und ebenso bei der nach Fig. 3 besteht die Brennkammerwand 1 vorzugsweise aus gasdichtem, z. B. imprägniertem Gra phit. Alsdann ist die Absorptionsfähigkeit der Brenn- kammerwand für die Flammenstrahlung besonders gut, so dass ein grosser Anteil der Reaktionswärme von der Brennkammerwand aufgenommen werden kann. Eine Überhitzung der Brennkammerwand 1 wird durch Küh lung ihrer Aussenwand vermieden. Bei dem dargestell ten Ausführungsbeispiel wird hierzu, wie schon erwähnt, Kühlwasser durch den Zwischenraum 3 hindurchgeleitet, stattdessen kann unter Fortlassung des Stahlmantels 1 die Brennkammerwand 1 mit Kühlwasser berieselt wer den.
External Cooling Furnace for Obtaining Hydrogen Chloride Gas from Chlorine and Hydrogen The present invention relates to an external cooling furnace for producing hydrogen chloride gas from chlorine and hydrogen. When chlorine and hydrogen gas are burned to form hydrogen chloride gas, considerable amounts of heat of reaction are released. The reaction furnaces usually used for such processes are usually cooled from the outside with water to avoid overheating of the combustion chamber wall, because part of the reaction heat released is given off to the combustion chamber wall by radiation and convection. The other part of the heat of reaction is absorbed by the hydrogen chloride gas, so that its temperature is still very high when it leaves the furnace.
It is usually so high that the hydrogen chloride gas before it is used, e.g. B. a hydrogen chloride from sorption apparatus, a chlorination apparatus or storage tanks is supplied, in heat exchangers or what water-cooled lines must be cooled.
There are also known incinerators which have cooling elements for cooling the gases within the combustion chamber, for. B. in the form of finger-like tubes or other heat exchangers. Another way to reduce the temperature of the obtained Chlorwas hydrogen gas, is to use an additional film cooling, which at the same time an absorption of the! Acid can be linked.
The heat generated by the combustion of chlorine and hydrogen occurs predominantly as gas and flame radiation. When using a heat exchanger of the known type, in which mainly the convectively transferred heat is dissipated, cooling can therefore only be achieved up to a certain mass. Extensive cooling is only achieved if additional equipment is installed, which makes the process very expensive. It therefore remains the task of simply cooling the high temperature hydrogen chloride gas obtained to such an extent that it is suitable for further processing.
The invention is based on the consideration that apparatus made of impregnated graphite has proven particularly useful in the chemical industry for processing hydrochloric acid. The impregnation agents used to compress the graphite, however, require working temperatures that do not exceed about 160 ° C. On this basis, the requirement arises to cool the hydrogen chloride gas to at least 160 ° C. before using it in such apparatus. This can be achieved by using a furnace with external cooling for the extraction of hydrogen chloride gas, according to the invention, the inner surface of the combustion chamber wall over which from its basic shape (e.g.
B. a cylindrical, cubic, spherical or similar shape) resulting dimension is increased in the sense of increasing the heat absorption capacity. This solution allows a very extensive cooling with a high efficiency, without additional equipment inside or outside the combustion chamber being necessary or the apparatus having to be enlarged.
In the furnace according to the invention, the proportion of heat given off by radiation is fed to the cooling circuit with high efficiency. This can be achieved in that the combustion chamber wall is provided with ribs on the inside, preferably in the radiation zone, to increase the heat absorption capacity, which preferably consist of the same material as the combustion chamber wall. In particular, the ribs are designed in such a way that they do not cover one another relative to the direction of radiation; H. so that their entire surface is illuminated.
It is advantageous to arrange the ribs approximately parallel to the longitudinal axis of the furnace or - in a cylindrical furnace into which the hydrogen and chlorine components enter from the bottom - to arrange the ribs approximately perpendicular to the direction of the furnace axis, preferably in the form of a helix. The rib shape itself can have any cross-section, preferably it is chosen to be triangular or trapezoidal. Particularly good illumination is ensured with such rib shapes.
But transverse ribs in the form of helical lines also offer advantages insofar as they ensure that the combustion gases (the hydrogen chloride gas) are swirled around in the edge zone of the combustion chamber wall. In particular, this promotes convective heat transfer from the gas into the water-cooled jacket surfaces of the combustion chamber. In addition, it is technically very easy to produce such ribs. Instead of the smooth turning out of the combustion chamber wall, there is only turning out with a corresponding profile using a common mold.
No additional work step is required.
In order to achieve the best efficiency of the furnace according to the invention, the combustion chamber wall consists of a substance whose heat absorption coefficient is almost equal to the number 1 over the entire radiation spectrum. This requirement is largely met when the combustion chamber wall is made of graphite, preferably gas-tight graphite. This also includes other advantages. This material is not chemically attacked by the hydrochloric acid gas produced; it also has a very high temperature and voltage resistance.
Additional cooling devices, which are otherwise necessary, can be omitted here. The stove works with a very high efficiency without taking up more space than the stove that has been used up to now. It is also more economical and requires less maintenance.
Further details of the invention will become apparent from the following description of the more or less cal cally illustrated embodiment; It shows Fig. 1 in longitudinal section the embodiment of a furnace with a ribbed inner wall of the combustion chamber; FIG. 2 shows the detail from FIG. 1, denoted by A, on an enlarged scale; FIG. Fig. 3 on a larger scale a cross-section through part of the combustion chamber in an altered embodiment.
In the furnace according to FIGS. 1 and 2, the combustion chamber wall 1 is surrounded by a steel jacket 2, leaving a cylindrical space 3 - for the passage of cooling water or other liquid or gaseous cooling means. The cooling water enters the space 3 through the nozzle 4 in the vicinity of the furnace floor and leaves it at its upper end through the nozzle 5. In the bottom of the combustion chamber wall 1, a burner 6 is inserted. It consists of two cylindrical lines 7 and B. The line 8 is closed at the bottom. It has a lateral port 8a for introducing the hydrogen gas.
The tube is passed tightly through the bottom of the part 8; it serves to supply the chlorine gas. The gases burn in the combustion chamber 9 to form hydrogen chloride and generate a high heat of reaction. This heat of reaction occurs partly as flame radiation or is absorbed by the hydrogen chloride gas. In order to transfer the largest possible proportion of this reaction heat to the combustion chamber wall and thereby lower the temperature of the hydrogen chloride gas, the inner surface of the combustion chamber wall is provided with ribs. In FIG. 2 an enlarged section through the combustion chamber wall is shown.
It can be seen from this that the combustion chamber wall 1 has ribs 10 running internally transversely to the longitudinal axis, the depth (or height) of which is preferably about 10 mm for furnaces with a clear cross section of about 200 to 1000 mm. As can be seen from Fig. 2, an angle of inclination of about 60 is selected for the rib flanks to achieve the best possible illumination of the entire surface of the combustion chamber wall 1 and thus to avoid covering the ribs ver.
In the modification according to FIG. 3, the ribs of the combustion chamber wall 1, denoted here by 11, run in the direction of the furnace axis. Otherwise, this version can agree with that of FIGS.
In the embodiment according to FIGS. 1 and 2 and also in that according to FIG. 3, the combustion chamber wall 1 is preferably made of gas-tight, e.g. B. impregnated graphite. The absorption capacity of the combustion chamber wall for the flame radiation is then particularly good, so that a large proportion of the heat of reaction can be absorbed by the combustion chamber wall. Overheating of the combustion chamber wall 1 is avoided by cooling its outer wall. In the dargestell th embodiment, as already mentioned, cooling water is passed through the space 3, instead, the combustion chamber wall 1 can be sprinkled with cooling water, omitting the steel jacket 1.