CH657072A5

CH657072A5 - METHOD AND HOUSING FOR CONTINUOUSLY COOLING A HOT GAS FLOW.

Info

Publication number: CH657072A5
Application number: CH899/82A
Authority: CH
Inventors: Walter Mueller
Original assignee: Bera Anstalt
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1986-08-15
Also published as: BR8300648A; DE3304174A1; NL8300305A; BE895847A; GB2115130B; DD209684A5; GB2115130A; GB8302810D0; IT1160717B; AU558967B2; IN157703B; DK61783A; RO86102B; JPS58203394A; SU1301325A3; RO86102A; SE8300703L; AU1118783A; DK61783D0; IT8319366A0

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. The invention relates to a method for the progressive cooling of a hot gas stream in a housing, which is cooled by a cooling medium guided in the housing wall, and a housing for carrying out the method.

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. In the context of the invention, the term housing is understood to mean lines and vessels, in particular reaction vessels, whose operation takes place under overpressure or underpressure and in which high temperatures occur.

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. For heat dissipation from a housing, it is known to provide devices for heat exchange in the housing wall, with jackets being welded onto the housing wall depending on the operating pressure in the housing. Also known are heating or cooling channels welded to the housing wall, lines lying in the housing wall, e.g. Fin or membrane walls or the like For example, if different amounts of heat have to be dissipated and a certain outlet temperature at the housing outlet has to be maintained, special measures are required. In particular, the control of the cooling circuit must be designed in such a way that a lowering of the temperature below the specified initial temperature is reliably avoided. This applies in particular if the housing is used for carrying out reactions and compliance with this starting temperature has a significant influence on the quality of a product to be produced.

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. If the housing is designed to carry out exothermic reactions, large, different amounts of heat are generated in the reaction zone, which require intensive cooling of the reaction zone. This can not be guaranteed by known heat exchangers or only with considerable effort, which is why other solutions have been sought. The direct cooling method is known in which a cooling medium is introduced directly into the reaction zone. This process is used, for example, in the production of carbon black by sub-stoichiometric combustion of hydrocarbons. Water serves as the cooling medium. However, there are disadvantages to this method, since it partially clumps the soot into soot grit, which must be ground for further use in a further treatment operation.

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. This is where the invention comes in, which is based on the object of designing the method of the type described at the outset in such a way that, while avoiding the disadvantages of the known solutions, the temperature profile which arises on the output side of the housing is largely independent of the amounts of heat to be dissipated on the input side of the housing.

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. This object is achieved according to the invention in that the amount of heat to be removed from the gas stream is given to the cooling medium by arranging a radiating surface lying between the gas stream and the cooling stream.

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. A housing is used to carry out the method according to the invention, in which according to the invention a heat-conducting inner jacket is arranged at a distance from the outer wall in the interior of the housing.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen The invention is shown in the drawing, for example, and described below. Show it

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Reaktors zur Erzeugung von Russ in schematischer Darstellung und Fig. 1 shows a longitudinal section of a reactor for producing soot in a schematic representation and

Fig. 2 ein Diagramm des Temperaturverlaufs in einem erfindungsgemässen Reaktor für zwei unterschiedliche Betriebsbedingungen. 2 shows a diagram of the temperature profile in a reactor according to the invention for two different operating conditions.

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. In Fig. 1, a housing 2 designed as a reactor 1 is shown schematically. The housing 2 has an interior 3 with any cross section, which can be circular, rectangular or polygonal, for example. E and A denote the inlet and outlet sides of the housing 2. The reactor shown in FIG. 1 is used to produce carbon black from hydrocarbon, with the aid of which the method according to the invention is explained. The housing 2 has an outer wall 4, on the outside of which a heat exchanger 5 is arranged in the form of a jacket welded to the outer wall 4. However, the heat exchanger 5 can also be designed in a different way, for example in the form of the known designs described at the outset.

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. The interior 3 is delimited on the circumference by an inner jacket 6 which is arranged at a distance from the outer wall 4 and forms an annular intermediate space 7 with the outer wall 4. The intermediate space 7 is separated from the interior 3 on the output side by means of a seal 8, not shown. The intermediate space 7 is also closed on the input side E by a head plate 9 to which the inner jacket 6 is fastened by means of a flange 10 and which extends to the outer jacket 4 which is connected to the edge of the head plate 9 by a flange 11 .

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 A nozzle 12 is arranged on the output side A and a further nozzle 13 is arranged on the input side E. The direction of the arrows indicates the cooling medium inlet at the nozzle 12 and the cooling medium outlet at the nozzle 13. Adjoining the outer wall 4 is a closing cone 14, at the outlet opening 15 of which the

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

weiteren, für die Behandlung des erzeugten Russes erforderlichen, jedoch nicht dargestellten Geräte anschliessen. Connect other devices required for the treatment of the soot, but not shown.

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. On the top plate 9 those parts of the reactor are shown schematically with which the oxygen carrier, usually air, and the hydrocarbons are conducted into the interior 3. The oxygen carrier is fed from an oxygen source 16 via a line 17 into a distributor 18 which has openings 19 on the housing side through which the oxygen carrier is introduced into mixing chambers 20. There, the oxygen carrier is mixed with the hydrocarbons injected through a nozzle 21, which are supplied to the nozzles 21 from a storage container 22 shown schematically via lines 23, and the mixture is fed into the interior 3. The mixture is ignited continuously in the interior and there is a more or less exothermic reaction. The heat released during the reaction must be removed in a metered manner in order to ensure an outlet temperature within a narrow temperature interval, the observance of which is essential for the product quality produced in each case. Therefore, the gas outlet temperature should be largely independent of the amount of heat released.

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. The heat transport from the reaction gas and the reaction product takes place by means of radiation to the inside of the inner jacket 6. Thermal conduction also increases the temperature on the outside of the inner jacket 6, which in turn forms a radiating surface and emits the heat to the outer wall 4 via this radiation . Since the heat transport by radiation increases with the fourth power of the temperature, a convective and conductive heat transport of the gas in the space plays only a minor role. The heat absorption taking place in the outer wall 4 is absorbed by a suitable cooling medium, for example boiling water.

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. 2 shows the effect of the cooling method according to the invention, which consists in the series connection of two radiation processes, first of the gas in the interior 3 to the inner jacket 6 and from there to the outer wall 7.

In Fig. 2 sind zwei Reaktionen zur Herstellung zweier unterschiedlicher Russqualitäten dargestellt, wobei die aus- 2 shows two reactions for producing two different soot qualities, the

3 657 072 3,657,072

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. Solid lines show the temperature profile in the gas over the length L of the interior 3, while the dashed lines show the temperature of the inner jacket 6 for the two operating cases and the dash-dotted line shows the wall temperature of the heat exchanger 5. Operating case I with the maximum gas temperature of approx. 1900 ° C involves the production of a soot quality in which the proportion of oxygen is relatively large, while operating mode II with the much lower highest gas lo temperature of approx. 1000 ° C it is a matter of producing a soot quality in which the proportion of oxygen is relatively small. 2 that the temperature profile at the outlet A of the reactor is largely independent of the temperature peak reached at the inlet E of the reactor 15. If the operating conditions in the manufacture of different types of soot change due to the change in the oil / ratio, temperature peaks differ greatly, but these have only a minor influence on the temperature profile against outlet A of the reactor, so that from the outside, i.e. via the control of the cooling system, no intervention is required. Accordingly, the desired reaction conditions against the exit A of the reactor are largely independent of the occurrence at the entrance E of the reactor without any external influence.

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. The cooling method described thus has the advantage that the temperature peaks which occur during the reaction are rapidly reduced to a relatively low temperature, after which, compared to the high reaction temperature, the further cooling takes place only slowly. This selective heat dissipation means that the amount of heat released in the reaction, which is dependent on the specific heat of reaction and the continuous amount 35, on the outlet temperature of the reaction gases is only very slight. In addition, the temperature of the cooling medium and the outer wall 4 is practically irrelevant to the temperature profile in the reaction gas. The choice of cooling medium can therefore be adapted to other requirements, e.g. for the most sensible reuse of the heat.

45 45

55 55

60 60

S S

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

657 072

1. A method for the progressive cooling of a hot gas stream with a housing which is cooled by a cooling medium guided in the housing wall, characterized in that the amount of heat to be removed from the gas stream is emitted to the cooling medium by arranging a radiating surface lying between the gas stream and the cooling medium becomes.

2. The method according to claim 1, characterized in that the radiating surface is arranged in the vicinity of the housing wall.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Housing with a heat exchanger (5), which is arranged on the outside of the outer wall (4) of the housing (2) and is used to carry out the method according to claim 1, characterized in that in the interior (3) of the housing (2 ) a heat-conducting inner jacket (6) is arranged at a distance from the outer wall (4).

4. Housing according to claim 3, characterized in that formed by the inner casing (6) and the outer wall (4), preferably annular space (7) both with respect to the interior (3) of the housing (2) and in relation to the outside atmosphere a seal (8) is completed.

5. Housing according to claim 3, characterized in that the heat exchanger (5) in the outer wall (4) is integrated, for. B. in the form of a fin or membrane wall.

6. Housing according to claim 3, characterized in that the inner casing (6) is made of a heat-resistant metal.

7. Application of the method according to claim 1, for carrying out reactions in the gaseous state at high temperatures.

8. Use according to claim 7, for carrying out exothermic reactions, e.g. for soot production.