DD235622A1 - Wasserstoffausbrennkammer fuer technisches elektrolysechlor - Google Patents

Abstract

Mit der Vorrichtung zur Wasserstoffumsetzung im technischen Elektrolysechlor kann in nachgeschalteten Anlagen eine vollstaendige Chlorverfluessigung ermoeglicht werden. Ziel ist es, in der Wasserstoffausbrennkammer den Wasserstoff moeglichst vollstaendig und kontinuierlich bei einer speziellen photochemischen Reaktionsausloesung in Chlorwasserstoff umzusetzen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, dass in der Wasserstoffausbrennkammer eine oder mehrere UV-Strahlungsquellen in axialer Richtung in strahlungsdurchlaessige Stroemungsrohre so angeordnet sind, dass in radialer Richtung eine freie Weglaenge von 50 mm zwischen dem Stroemungsrohr und dem Mantel der Ausbrennkammer bzw. bei einer Kopplung mehrerer Stroemungsrohre deren Abstand zueinander bis 100 mm eingehalten werden. Es ist zweckmaessig, die UV-Strahler so anzuordnen, dass der lichte Abstand zwischen Strahler und Stroemungsrohrwand das 0,05- bis 5,0fache des Strahlerdurchmessers betraegt. Die UV-Strahler koennen leicht demontiert und auch bei laufender Produktion ausgewechselt werden. Fig. 5

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung des Wasserstoffs im technischen Elektrolysechlor, um dann in den nachgeschalteten Anlagen eine vollständige Chlorverflüssigung zu ermöglichen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind zahlreiche Untersuchungen zur Umsetzung des Wasserstoffes aus chlorhaltigen Gasgemischen bekannt, bei denen eine Reaktion von Wasserstoff und Chlor zu Chlorwasserstoff erfolgt, die radiochemisch oder photochemisch ausgelöst wird.

Die dabei entwickelten Vorrichtungen besaßen jedoch wesentliche Nachteile, so daß eine industrielle Anwendung bisher nicht bekannt wurde. Erschwerte Übertragungen auf industrielle Bedingungen bestehen bei Vorrichtungen, in denen durch radioaktive Strahlung die Reaktion ausgelöst wird, da sich hier auch radioaktive Produkte bilden.

Bei bekannten photochemischen Reaktoren wird versucht, den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen bzw. die Lebensdauer der UV-Strahler zu verlängern.

Die Beschreibung eines derartigen photochemischen Reaktors erfolgt in der DEOS 2305761. Die Vorrichtung besteht aus einer UV-Strahlungsquelle, einem strahlungsdurchlässigem Reaktionsgefäß zur Aufnahme der zu bestrahlenden Stubstanzen und von Leuchtstoffen zur Umwandlung des UV-Lichtes der Strahlungsquelle von 254nm in eine die photochemische Reaktion bewirkende Wellenlänge. Diese Vorrichtung ist für Gasphasenreaktionen und den damit verbundenen großen Volumendurchsätzen ungeeignet. Die unterschiedliehen Strömungsverhältnisse und die unterschiedlichen Strahlungsintensitäten in der Reaktionszone der Vorrichtung lassen keine kontinuierliche Fahrweise bei der vorliegenden Gasphasenreaktion zu.

Auch die Weiterentwicklung dieser Vorrichtung, beschrieben in der DE-OS 2363114, bezieht sich auf Flüssigphasenreaktion, wobei in das Reaktionsgefäß ein Rotor mit radial abstehenden und mindestens bis zur Gefäßinnenwand reichenden Wischkörpern versehen ist.

Weitere Vorrichtungen wurden entwickelt, um die Abführung der bei der photochemischen exothermen Reaktion oft freiwerdenden großen Wärmemenge zu ermöglichen.

In der DE-AS 1667219 wird dazu die Anwendung von Polymermaterialien statt Silikatmaterialien vorgeschlagen, um durch diesen Einsatz die Anwendung kleinerer Rohrdurchmesser für das Reaktionsprodukt zu ermöglichen und um so um eine Strahlungsquelle mehrere Rohre in den unterschiedlichsten geometrischen Gestalten anordnen zu können.

Andere technische Lösungen, bei denen Glocken, die mit UV-Strahlern bestückt sind, in die Reaktionsgefäße tauchen, haben sich wegen ihres zu geringen Wirkungsgrades nicht bewährt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, in der möglichst vollständig der Wasserstoff aus technischem Elektrolysechlor oder anderen Wasserstoff-Chlor-Gasgemischen kontinuierlich in Chlorwasserstoff umgesetzt wird, um nachfolgend eine vollständige Chlorverflüssigung zu einer technologisch sicheren und ökonomisch arbeitenden Produktionsanlage zu ermöglichen.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Aus dem Ziel der Erfindung leitet sich die Aufgabe ab, eine Wasserstoffausbrennkammer für technisches Elektrolysechlor oder anderen Wasserstoff-Chlor-Gasgemischen zu entwickeln, welche bei einer speziellen photochemischeh Reaktionsauslösung kontinuierlich den Wasserstoff in dem Gasgemisch zu Chlorwasserstoff umsetzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer vorzugsweise zylindrischen Ausbrennkammer eine oder mehrere röhrenförmige UV-Strahlungsquellen in axialer Richtung in strahlungsdurchlässigen Strömungsrohren so angeordnet sind, daß in radialer Richtung eindimensional eine freie Weglänge von S 50 mm, vorzugsweise 30 mm, zwischen dem Strömungsrohrund dem Mantel der Ausbrennkammer eingehalten werden.

- Bei der Anordnung mehrerer Strömungsrohre muß die radiale Weglänge zwischen den einzelnen Strömungsrohren unter 100mm, vorzugsweise bei 50mm, liegen. DieAusbrennkammer ist stirnseitig durch je einen Kammerboden und einen Kammerdeckel, die Durchbrüche für die Strömungsrohre aufweisen, verschlossen. Die durch den Kammerboden und Kammerdeckel ragenden Strömungsrohre sind gegen diese gasdicht abgedichtet. An den Endseiten der Mantelfläche der Ausbrennkammer ist je ein Gaseintritts- und -austrittsstutzen angeordnet. Begrenzt durch die üblichen Strahlerlängen, wie z. B. die LS 4OW UV-A 70, wird ein Rohrreaktor für kleine Kapazität mit einer Länge von 900-1 000 mm konzipiert, um auch bei laufendem Betrieb ohne große Störungen eine der Strahlungsquellen bei Ausfall auswechseln zu können. Der Hauptanteil der Strahlung der verwendeten UV-Strahler liegt bei einer Wellenlänge von 350 bis 450 nm.

Die Abdichtung zwischen dem Strömungsrohr und dem Kammerdeckel erfolgt zweckmäßigerweise mittels einer Dichtung aus PTFE. Bei einer Ausbrennkammer können in das Innere des Strömungsrohres in Abhängigkeit von der für ein vorliegendes Wasserstoff-Chlor-Gasgemisch erforderlichen Intensität einer oder mehrerer UV-Strahler, vorzugsweise drei, eingesetzt werden. Um den geforderten Umsatz von über 50% bei einem Wasserstoffanfangsgehalt von ca. 4,0 Vol.-% zu erreichen, ist es zweckmäßig, bei dem Einsatz der UV-Strahler diese so anzuordnen, daß derlichte Abstand zwischen dem Strahlerund der Wand des Strömungsrohres ca. das 0,05fache des Strahlerdurchmessers und der Abstand der Strahler zueinander, wenn sie nicht durch ein Strömungsrohr getrennt sind, das 0,05 bis 2,5fache des Strahlerdurchmessers beträgt.

Bei einer allseitigen räumlichen Bestrahlung, d. h. bei einer Kopplung mehrerer Strömungsrohre zu einer Batterie, vergrößert sich diefreie Weglänge für die UV-Strahlen bzw. der Abstand der einzelnen Strömungsrohre zueinander auf 40 bis 100 mm, vorzugsweise 60 mm.

Am Reaktormantel ist es dann empfehlenswert, Reflektoren für die UV-Strahlung anzubringen, bzw. diesen aus einem reflektierenden Material zu fertigen.

Das Grundkonzept einer solchen Wasserstoffausbrennkammer besteht darin, daß mehrere Strömungsrohre mit einem Durchmesservon> 40 mm zu einem Rohrbündel zusammengefaßt und an beiden Enden „in einem speziellen Boden befestigt sind. Je nach Länge des Rohrbündels der Wasserstoffausbrennkammer werden ein oder mehrere UV-Strahler in Reihe angeordnet. In Abhängigkeit vom Gasdurchsatz und dem gewählten Strömungsrohrdurchmesser können analog auch mehrere UV-Strahler parallel nebeneinander betrieben werden. Bei Strömungsrohrlängen > 1,5m sind zusätzlich Stützkonstruktionen vorzusehen, die auch als Schikanen für den Gasraum ausgebildet sein können.

Das gesamte Rohrbündel, einzelne Strömungsrohre oder die UV-Strahler sind leicht zu demontieren. Die UV-Strahler können auch bei laufender Produktion gewechselt werden. Die Kammerböden sind so ausgeführt, daß eine ausreichende Abdichtung zwischen ihnen und den eingebauten Strömungsrohren durch Dichtungsmaterialien aus Gummi, PTFE in Form von Rundringen oder Stopfbuchsen gewährleistet wird.

Die Erfindung wird nachstehend an 3 Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: ein Längsschnitt durch die Wasserstoffausbrennkammer

Fig. 2: ein Querschnitt von Fig. 1

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Variante Außenrohrbestrahlung

Fig.4: ein Querschnitt A-A durch den Rohrbündelreaktor

Fig.5: ein Längsschnitt B^B von Fig.4

Ausführungsbeispiel 1

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einem mit UV-Strahler 1 bestücktem Strömungsrohr 2, welches aus einem für die UV-Strahlung ausreichend durchlässigen Material besteht. Die UV-Strahler 1 mit einer Wellenlänge von vorwiegend ca. 436 nm, in diesem Fall drei Leuchtstoffröhren LS 40 W UV-A 70 mit einer Länge von 1 200 mm und je einem Durchmesser von 38 mm, befinden sich in der Mitte des Strömungsrohres 2. Bei einem Außendurchmesser von 110 mm beträgt die freie Weglänge für die UV-Strahlung in radialer Richtung 17 mm bis zum Reaktormantel 3. Die wirksame Strahlerlänge beträgt axial 880 mm. Die Abdichtung zwischen Strömungsrohr 2 und Kammerboden 5 erfolgt mittels einer Dichtung 4 aus PTFE.

_Per_ejfmdungsgemäßen Vorrichtung wird[Elektj;o[ysechjO£de£erstejTVerf lüssigungsstoffe mit einer Zusammensetzung von

90 Vol.-% Wasserstoffes VoT.-% "Wasserstoff,1,3Vbl.-% Kohlendiöxid'undΓ4,8 Vol.-%" Luft: kontinuierlich 'zugeführt und entsprechend des Volumendurchsatzes in der Ausbrennkammer 3,5 Sekunden bestrahlt.

Nach Durchströmen der Ausbrennkammer reduziert sich das Wasserstoff-Chlorgemisch kontinuierlich auf einen Wasserstoffgehalt von 1,9 Vol.-%. Anschließend wird dieses Wasserstoff-Chlorgasgemisch mit 1,9 Vol.-%, das bereits schon 4,0 Vol.-% Chlorwasserstoff enthält, durch eine analoge zweite Wasserstoffausbrennkammer geleitet. Dabei wird der Wasserstoff bei gleicher Bestrahlungszeit von 3,5 Sekunden kontinuierlich auf 0,2 Vol.-% gesenkt.

Mit diesem Gasgemisch kann in einer nachgeschalteten Anlagenstufe die Chlorverflüssigung vollständig fortgesetzt werden.

Ausführungsbeispiel 2

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gem. Fig.4 und Fig. 5 stellt eine Kombination mehrerer Strömungsrohre 2 dar, die zu einem . Reaktormantel 3 eingeführt sind. Der Durchmesser des Reaktormantels 3 ist abhängig vom Volumendurchsatz des Elektrolysechlors durch diese Kammer und beträgt im Ausführungsbeispiel 1000 mm. Um die Verweilzeit in der Wasserstoffausbrennkammer zu verdoppeln, werden zwei UV-Strahler 1 {in Fig.4 und 5 nicht dargestellt) in einem Strömungsrohr 2 nacheinander angeordnet. Die Rohrbündellänge beträgt 2400 mm. Der Durchmesser der Kammerböden 5, die mit 40 Stück der UV-Strahler 1 bestückt sind, beträgt 1 000 mm. Die Abdichtung zwischen Reaktormantel 3 und Kammerboden 5, sowie Kammerboden 5 und Kammerdeckel 6 erfolgt mittels Dichtung 4 aus PTFE. Eingebaute Schikanen 7 ermöglichen eine Vermischung des Gasgemisches. .

Dererfindüngsgemäßen Vorrichtung werden· 1250 m³/h Elektrolysecnlor der ersten yerfliissigungsstufe mit einer Zusammensetzung von 90Vol.-% Chlor, 3,9Voi.-% Wasserstoff, 1,3Vol.-% Kohlendioxid und 4,8Vol.-% Luft kontinuierlich zugeführt und entsprechend des Volumendurchsatzes in der Ausbrennkammer 7 Sekunden bestrahlt. Als Strahlungsquellen werden Leuchtstoffröhren gemäß Ausführungsbeispiel 1 verwendet. Nach Durchströmen der Ausbrennkammer reduziert sich das Wasserstoff-Chlorgasgemisch kontinuierlich auf einen Wasserstoffgehalt von 0,2 Vol.-%.

Ausführungsbeispiel 3

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gem. Fig.3 besteht aus einem Strömungsrohr 2 aus Quarzglas, das in die Chlorgasleitung eingebaut ist. Die UV-Strahler 1, in diesem Ausführungsbeispiel 6 Stück, sind um das Strömungsrohr 2 angeordnet. Ein außen angebrachter Reflektor 8 dient zur besseren Ausnutzung der UV-Strahlung. Als UV-Strahler 1 dienen ebenfalls Leuchtstoffröhren LS 40 UV-A70 mit einer Länge von 1 200 mm und je einem Durchmesser von 38rtim. Der Durchmesser des Strömungsrohres 2 beträgt 80 mm und hat eine Länge von 1 200 mm.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Elektrolysechlor der ersten Verflüssigungsstufe mit einem Gasdurchsatz von 5m³/h zugeführt. Die Ausgangskonzentration an Wasserstoff beträgt dabei 2,7 Vol.-% im Chlorgasgemisch. Bei einer Bestrahlungszeit von 3,2 Sekunden reduziert sich der Wasserstoffgehalt bei Austritt der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf 0,5 Vol.-%, was einem Umsatz von 91,5% entspricht.

Claims (4)

— ι — /ta wo Erfindungsanspruch:

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Umsetzung von Wasserstoff und Chlor zu Chlorwasserstoff aus technischen Chlor-Gasgemischen mit S 8Vol.-% Wasserstoff, insbesondee Elektrolysechlor, bei photochemischer Reaktionsauslösung, gekennzeichnet dadurch, daß die Wasserstoffausbrennkammer als photochemischer Reaktor aus einem UV-Strahler (1) mit einer Wellenlänge von 350 bis 450 nm, einem Strömungsrohr (2), welches für die UV-Strahlung ausreichend durchlässig ist, und einem Reaktormantel (3) besteht, wobei die Strahlung in radialer Richtung vorwiegend eindimensional mit einer freien Weglänge von 10 bis 50 mm, vorzugsweise 30 mm, verläuft und die Reaktorlänge, bedingt durch die notwendige Verweilzeit des Gasgemisches in der Wasserstoffausbrennkammer zwischen 2 bis 18 Sekunden, vorzugsweise 4 Sekunden, 850 mm bis 1200 mm, vorzugsweise jedoch 1000 mm, beträgt.

2. Vorrichtung nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß im Innern des Strömungsrohres (2) UV-Strahler (1) ι nrcit>1 Stück, vorzugsweise 3 Stück, angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich bei Kopplung mehrerer Strömungsrohre (2) zu einem Rohrbündel in der Wasserstoffausbrennkammer die freie Weglänge für die UV-Strahlung und somit der Abstand der Strömungsrohre (2) zueinander auf 40 bis 100 mm, vorzugsweise 60 mm, erhöht und durch in Reihe in den Strömungsrohren (2) angeordnete UV-Strahler (1) die Rohrbündellänge vergrößert, sowie zusätzliche Einbauten wie Schikanen (7) ermöglicht werden.

4. Vorrichtung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der lichte Abstand zwischen einem UV-Strahler (1) und dem Strömungsrohr (2) das 0,05 bis 5,0fache des Strahlerdurchmessers und der lichte Abstand zwischen den UV-Strahlern (1), die nicht durch ein Strömungsrohr (2) getrennt sind, das 0,05 bis 2,5fache des Strahlerdurchmessers beträgt.