CH657072A5 - Verfahren und gehaeuse zur fortschreitenden kuehlung eines heissen gasstroms. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fortschreitenden Kühlung eines heissen Gasstroms in einem Gehäuse, das durch ein in der Gehäusewandung geführtes Kühlmedium gekühlt wird, und ein Gehäuse zur Durchführung des Verfahrens.

Als Gehäuse werden im Zusammenhang mit der Erfindung Leitungen und Gefässe, insbesondere Reaktionsgefäs-se, verstanden, deren Betrieb bei Über- oder Unterdruck erfolgt und in denen hohe Temperaturen auftreten.

Zur Wärmeabfuhr aus einem Gehäuse ist es bekannt, in der Gehäusewandung Einrichtungen für den Wärmeaustausch vorzusehen, wobei je nach dem Betriebsdruck im Gehäuse an der Gehäusewandung Mänte angeschweisst werden. Bekannt sind weiter an der Gehäusewandung ange-schweisste Heiz- oder Kühlkanäle, in der Gehäusewandung liegende Leitungen, z.B. Flossen- oder Membranwände, o.dgl. Müssen beispielsweise unterschiedliche Wärmemengen abgeführt werden und muss hierbei eine bestimmte Austrittstemperatur am Gehäuseausgang eingehalten werden, bedarf es hierzu besonderer Massnahmen. Insbesondere muss die Regelung des Kühlkreislaufes so ausgebildet sein, dass eine Erniedrigung der Temperatur unter die festgelegte Ausgangstemperatur zuverlässig vermieden wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Gehäuse für die Durchführung von Reaktionen dient und die Einhaltung dieser Ausgangstemperatur von wesentlichem Einfluss auf die Qualität eines zu erzeugenden Produktes ist.

Ist das Gehäuse zur Durchführung exothermer Reaktionen ausgelegt, entstehen in der Reaktionszone grosse, unterschiedliche Wärmemengen, die eine intensive Abkühlung der Reaktionszone erfordern. Diese kann durch bekannte Wärmeaustauscher nicht oder nur mit erheblichem Aufwand gewährleistet werden, weshalb andere Lösungen gesucht wurden. Bekannt ist das Verfahren der direkten Kühlung, bei welchem ein Kühlmedium direkt in die Reaktionszone eingeleitet wird. Dieses Verfahren wird beispielsweise bei der Herstellung von Russ durch unterstöchiometrische Verbrennung von Kohlenwasserstoffen angewandt. Als Kühlmedium dient hierbei Wasser. Diesem Verfahren haften jedoch Nachteile an, da dadurch sich der Russ teilweise zu Russgrit zusammenballt, der für die weitere Verwendung in einer weiteren Behandlungsoperation gemahlen werden muss.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Lösungen der sich an der Ausgangsseite des Gehäuses einstellende Temperaturverlauf weitgehend unabhängig von den an der Eingangsseite des Gehäuses abzuführenden Wärmemengen ist.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die aus dem Gasstrom abzuführende Wärmemenge unter Anordnung einer zwischen dem Gasstrom und dem Kühlstrom liegenden strahlenden Fläche an das Kühlmedium abgegeben wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dient ein Gehäuse, bei dem erfindungsgemäss in dem Innenraum des Gehäuses ein wärmeleitender Innenmantel mit Abstand von der Aussenwand angeordnet ist.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Reaktors zur Erzeugung von Russ in schematischer Darstellung und

Fig. 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs in einem erfindungsgemässen Reaktor für zwei unterschiedliche Betriebsbedingungen.

In Fig. 1 ist ein als Reaktor 1 ausgebildetes Gehäuse 2 schematisch dargestellt. Das Gehäuse 2 weist einen Innenraum 3 mit einem beliebigen Querschnitt auf, der beispielsweise kreis-, rechteck- oder polygonförmig sein kann. E und A bedeuten die Eintritts- bzw. Austrittsseite des Gehäuses 2. Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor dient der Erzeugung von Russ aus Kohlenwasserstoff, mit Hilfe dessen das erfin-dungsgemässe Verfahren erläutert wird. Das Gehäuse 2 weist eine Aussenwand 4 auf, an dem aussenseitig ein Wärmeaustauscher 5 in Form eines an der Aussenwand 4 ange-schweissten Mantels angeordnet ist. Der Wärmeaustauscher 5 kann jedoch auch in anderer Weise, beispielsweise in Form der eingangs beschriebenen, bekannten Ausführungen, ausgebildet sein.

Der Innenraum 3 wird umfangsseitig durch einen Innenmantel 6 begrenzt, der mit Abstand von der Aussenwand 4 angeordnet ist und mit der Aussenwand 4 einen ringförmigen Zwischenraum 7 bildet. Der Zwischenraum 7 ist aus-gangsseitig mittels einer nicht näher dargestellten Dichtung 8 vom Innenraum 3 getrennt. Der Zwischenraum 7 ist auch auf der Eingangsseite E abgeschlossen und zwar durch eine Kopfplatte 9, an der der Innenmantel 6 mittels eines Flansches 10 befestigt ist und die sich bis zum Aussenmantel 4 erstreckt, der mit einem Flansch 11 mit dem Rand der Kopfplatte 9 verbunden ist.

Auf der Ausgangsseite A ist ein Stutzen 12 und an der Eingangsseite E ein weiterer Stutzen 13 angeordnet. Die Pfeile zeigen mit ihrer Richtung den Kühlmediumeintritt beim Stutzen 12 und den Kühlmediumaustritt beim Stutzen 13 an. Anschliessend an die Aussenwand 4 ist ein Abschlusskonus 14 angeordnet, an dessen Ausgangsöffnung 15 die

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weiteren, für die Behandlung des erzeugten Russes erforderlichen, jedoch nicht dargestellten Geräte anschliessen.

Auf der Kopfplatte 9 sind schematisch diejenigen Teile des Reaktors dargestellt, mit denen der Sauerstoffträger, meistens Luft, und die Kohlenwasserstoffe in den Innenraum 3 geleitet werden. Der Sauerstoffträger wird aus einer Sauerstoffquelle 16 über eine Leitung 17 in einen Verteiler 18 geleitet, der gehäuseseitig Öffnungen 19 aufweist, durch die der Sauerstoffträger in Mischkammern 20 eingeführt wird. Dort wird der Sauerstoffträger mit den durch eine Düse 21 eingespritzten Kohlenwasserstoffen, die aus einem schematisch dargestellten Vorratsbehälter 22 über Leitungen 23 den Düsen 21 zugeführt werden, gemischt und die Mischung in den Innenraum 3 geführt. Im Innenraum wird die Mischung kontinuierlich gezündet und es erfolgt eine mehr oder weniger stark exotherme Reaktion. Die bei der Reaktion freiwerdende Wärme muss dosiert abgeführt werden, um eine Austrittstemperatur innerhalb eines engen Temperaturintervalls zu gewährleisten, dessen Einhaltung für die jeweils erzeugte Produktequalität von wesentlichem Einfluss ist. Deshalb soll die Gasaustrittstemperatur weitgehend unabhängig von der freigesetzten Wärmemenge sein.

Der Wärmetransport von dem Reaktionsgas und dem Reaktionsprodukt erfolgt mittels Strahlung an die Innenseite des Innenmantels 6. Durch Wärmeleitung erhöht sich auch die Temperatur auf der Aussenseite des Innenmantels 6, welcher nun seinerseits eine strahlende Fläche bildet und über diese Strahlung die Wärme an die Aussenwand 4 abgibt. Da der Wärmetransport durch Strahlung mit der vierten Potenz der Temperatur wächst, spielt ein konvektiver und konduktiver Wärmetransport des Gases im Zwischenraum nur eine sehr untergeordnete Bedeutung. Die in der Aussenwand 4 erfolgende Wäreabsorption wird von einem geeigneten Kühlmedium, beispielsweise siedendem Wasser, aufgenommen.

In Fig. 2 ist die Wirkung des erfindungsgemässen Kühlverfahrens ersichtlich, das in der Hintereinanderschaltung zweier Strahlungsvorgänge, zuerst von dem Gas in dem Innenraum 3 an den Innenmantel 6 und von dort an die Aussenwand 7, besteht.

In Fig. 2 sind zwei Reaktionen zur Herstellung zweier unterschiedlicher Russqualitäten dargestellt, wobei die aus-

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gezogenen Linien den Temperaturverlauf im Gas über die Länge L des Innenraums 3 zeigen, während die gestrichelten Linien die Temperatur des Innenmantels 6 für die beiden Betriebsfälle und die strichpunktierte Linie die Wandtempera-5 tur des Wärmeaustauschers 5 zeigen. Bei dem Betriebsfall I mit der Höchstgastemperatur von ca. 1900 °C handelt es sich um die Herstellung einer Russqualität, bei der der Sauerstoffanteil verhältnismässig gross ist, während beim zweiten Betriebsfall II mit der wesentlich geringeren höchsten Gas-lo temperatur von ca. 1000 °C es sich um die Herstellung einer Russqualität handelt, bei der der Sauerstoffanteil verhältnismässig klein ist. Trotzdem kann gemäss Fig. 2 festgestellt werden, dass der Temperaturverlauf an dem Ausgang A des Reaktors weitgehend von der am Eingang E des Reaktors 15 erreichten Temperaturspitze unabhängig ist. Bei Änderung der Betriebsbedingungen bei der Herstellung verschiedener Russtypen durch die Änderung des Öl/-Verhältnisses ergeben sich zwar stark unterschiedliche Temperaturspitzen, die jedoch auf das Temperaturprofil gegen den Ausgang A des 20 Reaktors nur einen geringen Einfluss haben, so dass von aussen, d.h. über die Steuerung des Kühlsystems, nicht eingegriffen werden muss. Dementsprechend stellen sich die erwünschten Reaktionsbedingungen gegen den Ausgang A des Reaktors ohne äusseren Einfluss weitgehend unabhängig 25 vom Geschehen am Eingang E des Reaktors von selbst ein.

Das beschriebene Kühlverfahren weist somit den Vorteil auf, dass die bei der Reaktion auftretenden Temperaturspitzen schnell auf eine verhältnismässig niedere Temperatur ab-30 gebaut werden, nach deren Erreichen im Vergleich zur hohen Reaktionst.emperatur die weitere Abkühlung nur noch langsam erfolgt. Durch diese selektive Wärmeabführung ist der Einfluss der bei der Reaktion freigesetzten, von der spezifischen Reaktionswärme und der durchgehenden Menge 35 abhängige Wärmemenge auf die Austrittstemperatur der Reaktionsgase nur sehr gering. Zudem ist die Temperatur des Kühlmediums und der Aussenwand 4 praktisch ohne Bedeutung auf den Temperaturverlauf im Reaktionsgas. Die Wahl des Kühlmediums kann deshalb andern Erfordernissen an-40 gepasst werden, z.B. für eine möglichst sinnvolle Weiterverwendung der Wärme.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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1. Verfahren zur fortschreitenden Kühlung eines heissen Gasstroms mit einem Gehäuse, das durch ein in der Gehäusewandung geführtes Kühlmedium gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Gasstrom abzuführende Wärmemenge unter Anordnung einer zwischen dem Gasstrom und dem Kühlmedium liegenden strahlenden Fläche an das Kühlmedium abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlende Fläche in der Nähe der Gehäusewandung angeordnet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Gehäuse mit einem Wärmeaustauscher (5), der an der Aussenseite der Aussenwand (4) des Gehäuses (2) angeordnet ist und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dient, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (3) des Gehäuses (2) ein wärmeleitender Innenmantel (6) mit Abstand von der Aussenwand (4) angeordnet ist.

4. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Innenmantel (6) und der Aussenwand (4) gebildete, vorzugsweise ringförmige Zwischenraum (7) sowohl gegenüber dem Innenraum (3) des Gehäuses (2) als auch gegenüber der Aussenatmosphäre durch eine Dichtung (8) abgeschlossen ist.

5. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (5) in der Aussenwand (4) integriert ist, z. B. in Form einer Flossen- oder Membranwand.

6. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenmantel (6) aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt ist.

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Durchführung von Reaktionen in gasförmigem Zustand bei hohen Temperaturen.

8. Anwendung nach Anspruch 7, zur Durchführung von exothermen Reaktionen, z.B. für die Russerzeugung.