CN108137320A - 用于生产气体混合物的新型燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产氢卤化物的新型燃烧装置。

Description

用于生产气体混合物的新型燃烧装置
技术领域
本发明涉及用于生产卤素的氢化合物的新型燃烧装置。
背景技术
盐酸(也被称为氯化氢)以许多不同的方式在化学工业中被使用和加工。典型的应用领域是氯碱电解或氯乙烯的生产。盐酸通常作为例如有机化合物的氯化中的副产物获得。然而，以这种方式无法满足对盐酸的需求。
因此，在工业中使用特殊的抗腐蚀氯化氢合成设施来合成生产。在这些设施中，在高达2500℃的温度下氯气和氢气反应以形成氯化氢气体。燃烧反应在燃烧室中发生。燃烧器由两个同心管构成，进料气体通过燃烧器流入燃烧室，氯气经由内管供应，氢气经由外管供应。燃烧反应发生在燃烧器上方的火焰中。为了实现尽可能高的氯的转化，通常设置5％-15％的氢过量。在燃烧室的出口处，反应完成并使所形成的氯化氢气体流过合成手段的吸收部分，在该处氯化氢气体被吸收以形成盐酸(US9415364)。
氯化氢生产的一个问题在于不完全燃烧，不完全燃烧导致产物酸中游离氯的比例较高。由于反应气体混合不充分，火焰的几何形状非常长且窄，这反过来需要大的燃烧室。这对成本水平具有负面影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于生产卤化氢的燃烧装置，通过该装置实现了改善的卤素气体和氢气的混合，并且使产品中的游离卤素含量减少。
该目的通过用于生产卤化氢的燃烧装置来实现，该燃烧装置包含至少两个同心设置的燃烧管，其中，涡旋发生器设置在内燃烧管中。
在本发明的上下文中，卤化氢被认为是溴化氢和氯化氢，优选使用氯化氢。在下文中提到氯气或氯化氢时，同样适用于溴气或溴化氢。
在本发明的上下文中，同心设置的燃烧管应被理解为是指将内燃烧管设置在外燃烧管中，内燃烧管设置在外燃烧管的中心(参见图3)。将内燃烧管用作氯气的输送管，而氢气经由内燃烧管与外燃烧管之间的间隙供应。在本发明的上下文中，涡旋发生器被理解为是指使氯气以涡旋运动流动的部件。由此产生的湍流的结果是，氯气和氢气之间的界面也扩大了，这意味着实现了改善的混合并因此缩短了燃烧室中保留气体所需的时间，从而相较于不具有涡旋发生器的燃烧器，获得了较短且较稳定的火焰。较短的火焰允许使用较小的合成设施，并允许连续生产中较稳定的火焰。火焰缩短的程度以及火焰的稳定程度取决于合成单元的尺寸和容量二者。通过在内燃烧管中使用涡旋发生器并通过将氢轴向排出外燃烧管，实现了改善的反应气体混合，并在燃烧器出口附近形成再循环区。在再循环区中，将热气体朝着燃烧装置的出口抽吸回来，由此对从燃烧装置排出的气体进行预热。这引起较高的转化，即，游离氯含量减少并使火焰稳定。
涡旋发生器位于氯气的进料流中，因为氯气的质量流率比氢气的质量流率大20倍。因此，可以更好地利用涡旋作用。质量流率被理解为是指每单位时间移动通过截面的质量。可以通过涡旋发生器对火焰的长度、形状、稳定性和强度进行调节。
有利地，将涡旋发生器粘接至、卡在或通过轴连接至内燃烧管中。
外燃烧管和内燃烧管有利地在相同的高度上到达末端。结果，气体被排出燃烧装置后首先立即混合。因此，这是非预混燃烧。
将外燃烧管和内燃烧管有利地构造为单件式或由多个段构成。
外燃烧管、内燃烧管和涡旋发生器有利地由耐腐蚀材料制成，所述耐腐蚀材料优选选自于由以下所组成的组：石墨、合成石墨、浸渍有合成树脂的石墨、碳化硅、涂覆有碳化硅的石墨、石英玻璃、铝氧化物或它们的任意混合物。外燃烧管、内燃烧管和涡旋发生器特别优选由石墨、合成石墨、浸渍有合成树脂的石墨或它们的任意混合物制成，最优选由石墨、合成石墨、浸渍有酚醛树脂的石墨或它们的任意混合物制成。
涡旋发生器的长度优选为内燃烧管内径的0.5-2倍，优选1-1.5倍。在本发明的上下文中，内燃烧管的内径(DI Innen)应理解为是指内燃烧管的直径，即，不含管壁的直径。内燃烧管的直径应理解为是指内燃烧管的外径(DA Innen)(参见图3)。如果该长度小于内燃烧管内径的0.5倍，该长度不足以涡旋所供应的氯气。因此，涡旋发生器的积极效果不会发生。如果该长度大于内燃烧管内径的2倍，所供应的氯气被涡旋两次，双重涡旋不引起涡旋发生器的积极效果的进一步改善。
有利地，涡旋发生器的外径为30mm至300mm，优选30mm至280mm。
在本发明的上下文中，涡旋发生器的外径应理解为是指由涡旋发生器的芯和导向叶片组成的直径(参见图4b)。如果涡旋发生器具有较小的外径，氯气的速度大大增加，其结果是混合时间减少，并因此使转化也减少。如果外径较大，氯气的速度降低，生成的湍流不太明显，而氢气和氯气的混合也较少，因此转化也较低，由此产品中的游离氯含量较高。
有利地，涡旋发生器的芯直径与外径的比为1:2.5至1:1.5，优选1:2至1:1.5。
在本发明的上下文中，芯直径应理解为是指不含导向叶片的涡旋发生器的直径。如果芯直径与外径之比小于1:2.5，氯气的速度降低，其结果是产生的湍流不太明显，则氢气和氯气的混合也较少，因此转化也较低，由此产品中的游离氯含量较高。如果芯直径与外径之比大于1:1.5，氯气的速度变得非常高，结果是氢气和氯气的混合时间减少，因此转化也减少，并由此产品中的游离氯含量增加。
在有利的实施方式中，涡旋发生器包含至少两个导向叶片，优选至少4个导向叶片。如果存在少于两个的导向叶片，每个子通道的质量流率过高，这导致不均匀的火焰。另外，存在较少的氢气和氯气混合。
为了使氢气和氯气良好混合，导向叶片围绕涡旋发生器的芯对称分布是有利的。
在平面视图中，导向叶片有利地为矩形或梯形。
在进一步有利的实施方式中，基于涡旋发生器的承受流动的总截面积，自由截面积为15％-75％，优选20％-65％。如果基于涡旋发生器的承受流动的总截面积，自由截面积小于15％，氯气的速度变得太高，其结果是转化减少。如果基于涡旋发生器的承受流动的总截面积，截面积高于75％，氯气的速度变得太低，其结果是转化减少。在本发明的上下文中，自由截面积表示导向叶片之间的总的自由表面积，即，氯气流过的区域。涡旋发生器的承受流动的总表面积应理解为是指涡旋发生器的总截面积。
在进一步有利的实施方式中，导向叶片沿着纵向轴线以螺旋形延伸。
在本发明的上下文中，纵向轴线应理解为是指沿着氯气流的方向延伸的轴线。
导向叶片的节距有利地为1至2，优选1。节距应理解为是指导向叶片围绕涡旋发生器的芯的旋转的数目。如果节距大于2，氯气流涡旋多于两次，氢气和氯气的混合无进一步的改善被获得。
有利地，导向叶片的平均迎角为从35°至85°，优选从40°至75°，最优选60°。在本发明的上下文中，平均迎角应理解为是指流入流体的方向与导向叶片的表面之间的角度(参见图4b)。
平均迎角对氯气的速度分布和氯气的回流有显著的影响，这导致火焰稳定。如果平均迎角小于35°，氯气流被剧烈涡旋并且火焰变得非常宽，这导致燃烧室壁的温度增加。如果平均迎角大于75°，氯气不被涡旋。
有利地，所供应的氢气从外燃烧管轴向排出。由于从内燃烧管供应的氯气被从外燃烧管与内燃烧管之间的间隙轴向排出的氢气推动，氢气从外燃烧管的轴向排出改善了氢气和氯气的混合，其结果是氢气和氯气的混合增加，因此转化增加，并由此减少产品中的游离氯含量。
在进一步有利的实施方式中，在内燃烧管中于涡旋发生器的承受流动的一侧上设置轴。涡旋发生器的承受流动的一侧应理解为是指面向氯气供应的一侧。通过轴，将涡旋发生器固定在内燃烧管中，并将氯气流引导到涡旋发生器的流动通道中，即，引导进导向叶片之间的空间中。轴可以被构造为单件式或由多个组件构成。轴的长度不受限制。
有利地，轴直径和芯直径相等。当氯气流入涡旋发生器时，这避免了额外的湍流。有利地，外燃烧管的直径朝向燃烧室变窄。结果，氢气的速度增加，这导致改善的氢气和氯气的混合，其结果是转化增加，由此减少产品中的游离氯含量。
在进一步有利的实施方式中，涡旋发生器在内燃烧管中凹入最大为涡旋发生器外径的两倍。
这意味着在燃烧装置出口上，涡旋发生器不与内燃烧管和外燃烧管齐平到达末端，而是朝向气体供应凹入。
凹入深度与内燃烧管内径的比优选为1:1。使涡旋发生器凹入导致在氯气流在燃烧装置出口处扩散之前，在短管部分中对涡旋的氯气流进行引导。结果，可降低射流的扩散，并因此可减少燃烧室壁上的温度负荷。此外，使涡旋发生器凹入实现了氢气和氯气的一致混合，其结果是转化增加，并由此减少产品中的游离氯含量。此外，反应区分布在燃烧室的整个截面上，并且燃烧室壁的温度下降。
涡旋发生器越进一步凹入，燃烧器出口处的涡旋越小。如果凹入深度大于涡旋发生器外径的两倍，涡旋消散并且涡旋发生器不造成改善的氢气和氯气的混合。
在下文中，纯粹作为例子，通过有利的实施方式并参照附图对本发明进行描述。本发明不受附图的限制。
附图说明
图1是卤化氢合成单元的一部分的截面视图。
图2是燃烧装置的截面视图。
图3是来自燃烧装置的上部区域的细节的截面视图。
图4a示出了涡旋发生器。
图4b是涡旋发生器的平面视图。
图5是含有轴的涡旋发生器的截面视图。
图1是卤化氢合成单元的一部分的截面视图。通过燃烧装置(1)将气体供应至燃烧室(2)。在燃烧器出口(3)处，气体排出燃烧装置。在燃烧室(2)中，所供应的气体通过燃烧进行反应并形成火焰(4)。
图2示出了燃烧装置(1)，燃烧装置(1)包含两个同心设置的燃烧管，即内燃烧管(7)和外燃烧管(8)。涡旋发生器(9)设置在内燃烧管(7)中，所述涡旋发生器经由轴(10)连接。氢气通过内燃烧管和外燃烧管之间的间隙输送，氢气经由供应器(6)供应至燃烧器。氯气经由(5)供应至内燃烧管。
图3是来自燃烧装置(1)的上部区域的细节的截面视图，燃烧装置(1)包含两个同心设置的燃烧管，即内燃烧管(7)和外燃烧管(8)。内燃烧管(7)具有内径DI Innen和外径DA Innen。涡旋发生器(12)位于内燃烧管(7)中。涡旋发生器(12)包含导向叶片(11)和芯(9)，涡旋发生器的芯具有直径DKern。涡旋发生器(9)是凹入的，因为它不在燃烧器出口处与内燃烧管(7)和外燃烧管(8)一起到达末端。
图4a示出了涡旋发生器(12)。涡旋发生器(12)包含导向叶片(11)，所述导向叶片具有平均迎角y。
图4b是涡旋发生器(12)的平面视图，涡旋发生器(12)具有导向叶片(11)、芯(9)和外径(14)。氯气流通过的自由截面(15)位于导向叶片(11)之间。
图5是涡旋发生器(12)的截面视图，涡旋发生器包含轴(13)。
具体实施方式
在下文中，通过实施例对本发明进行描述，其中，实施例不对本发明进行限制。
实施例1：
提供由石墨制成的外燃烧管(8)和内燃烧管(7)。这两个管的长度为40cm。外燃烧管(8)的外径为18cm。内燃烧管(7)的直径(DA Innen)为12cm。将由石墨制成的涡旋发生器(9)插入内燃烧管(7)中。涡旋发生器(9)的长度为14cm，导向叶片的平均迎角y为60°。自由截面积为25％。涡旋发生器的芯的直径为5cm。涡旋发生器与内燃烧管(7)和外燃烧管(8)齐平到达末端，并粘接于内燃烧管(7)中。
实施例2：
提供由石墨制成的外燃烧管(8)和内燃烧管(7)。这两个管长度为40cm。外燃烧管(8)的直径为18cm。内燃烧管(7)的直径为12cm。将由石墨制成的涡旋发生器(9)插入内燃烧管(7)中。涡旋发生器(9)的长度为14cm，导向叶片的迎角y为60°。自由截面积为40％。涡旋发生器的芯的直径为5cm。涡旋发生器在内燃烧管(7)中凹入2.5cm，并粘接于内燃烧管(7)中。
附图标记列表
1：燃烧装置
2：燃烧室
3：燃烧器出口
4：火焰
5：氯气
6：氢气
7：内燃烧管
8：外燃烧管
9：涡旋发生器的芯
10：轴
11：导向叶片
12：涡旋发生器
13：轴
14：涡旋发生器的外径
15：自由截面积

Claims (15)

1.用于生产卤化氢的燃烧装置，所述燃烧装置包含至少两个同心设置的燃烧管，其中，在内燃烧管中设置涡旋发生器。
2.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述外燃烧管、所述内燃烧管和所述涡旋发生器包含耐腐蚀材料，所述耐腐蚀材料优选选自于由以下所组成的组：石墨，合成石墨，浸渍有合成树脂的石墨、优选浸渍有酚醛树脂的石墨，碳化硅，涂覆有碳化硅的石墨，石英玻璃，铝氧化物或它们的任意混合物。
3.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述涡旋发生器的长度为0.5至2倍。
4.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述涡旋发生器的外径为30mm至300mm。
5.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述涡旋发生器的芯直径与外径之比为1:2.5至1:1.5。
6.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述涡旋发生器具有至少两个导向叶片。
7.根据权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于，基于所述涡旋发生器的承受流动的总截面积，自由截面积为15％至75％。
8.根据权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于，所述导向叶片沿所述涡旋发生器的纵向轴线以螺旋形延伸。
9.根据权利要求6所述的燃烧装置，其特征在于，所述导向叶片的平均迎角为35°至85°。
10.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，供应的气体从所述外燃烧管轴向排出。
11.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述内燃烧管和所述外燃烧管在相同高度处到达末端。
12.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，在所述内燃烧管中于所述涡旋发生器的承受流动的一侧上设置轴。
13.根据权利要求12所述的燃烧装置，其特征在于，所述轴直径和芯直径相等。
14.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述外燃烧管的直径朝向燃烧室变窄。
15.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，所述涡旋发生器在所述内燃烧管中凹入所述涡旋发生器外径的至多两倍。
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