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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abkühlen von
heißen
Gasen (Quenche) unter Bildung eines korrosiven Kondensats, die einen druckbeständigen Behälter und
mindestens ein korrosionsbeständiges
innenliegenden Gasführungsrohr
aufweist, sowie ein Verfahren zum Abkühlen von Gasen, die korrosive
Kondensate bilden, das die genannte Vorrichtung verwendet.
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Viele
chemische Prozesse, die unter Druck betrieben werden, beinhalten
einen Schritt des raschen Abkühlens
heißer
Gase unter partieller oder vollständiger Kondensation derselben,
bei denen das sich bildende Kondensat äußerst korrosiv ist. Einen solchen
Schritt des raschen Abkühlens
bezeichnet man gemeinhin als „Quenchen" (die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird im folgenden daher gelegentlich auch als erfindungsgemäße Quenche
bezeichnet). Beim Quenchen wird im allgemeinen das heiße Gas mit
einer vergleichsweise großen
Menge eines Kühlmediums,
das auch aus dem eigentlichen Kondensat bestehen kann, in Kontakt
gebracht und dabei teilweise oder vollständig kondensiert. Die entstehenden
Kondensate sind vielfach hochkorrosiv. Dabei stellt der Kontakt
mit dem noch heißen
trockenen Gas mit den Materialien der Quenche im allgemeinen noch
kein Problem dar. Korrosionsprobleme entstehen jedoch dort, wo heiße kondensierte
feuchte Phase in Kontakt mit den Materialien der Quenche kommt.
In diesen Bereich müssen
Temperaturen insbesondere von oberhalb von etwa 110°C vermieden werden,
da sonst Korrosion einsetzt. Im Falle von Prozessen, die nur unter
geringen Drücken
betrieben werden, kann das Problem im allgemeinen dadurch gelöst werden,
dass man die Quenche aus einem korrosionsbeständigen Material konstruiert,
wie beispielsweise Keramik, Kunststoff oder Graphit. So beschreibt
beispielsweise die am 14.5.2006 unter http://www.sglcarbon.com/gs/prodser/process/pdf/pe_201_d.pdf
abrufbare Broschüre „KOLONNEN,
DIE REIHENWEISE PERFEKT GEBAUT SIND" der SGL ACOTEC GmbH auf Seite 26 eine Quenche,
die vollständig
aus Graphit gefertigt ist. Solche Quenchen aus Graphit sind nur
bei niedrigen Überdrücken zugelassen.
Ist ein Quenchen bei höheren
Drücken
erforderlich, bedarf es jedoch eines dafür zugelassenen Materials. Derartige
Materialien, wie beispielsweise legierte Stähle oder Sonderwerkstoffe sind
jedoch in einigen Fällen
nicht dauerhaft korrosionsbeständig
oder so teuer, dass ihr Einsatz wirtschaftlich nicht vertretbar
ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher in der
Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abkühlen von heißen, unter
Druck stehenden Gasen (Quenche), die dabei teilweise oder vollständig kondensieren
und ein äußerst korrosives
Kondensat bilden (gegebenenfalls zusammen mit dem umgebenden Kühlmedium).
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt durch die Bereitstellung einer Vorrichtung
zum Abkühlen
von heißen
Gasen (Quenche), die eine druckbeständige Wand und mindestens ein
korrosionsbeständiges,
innenliegenden Gasführungsrohr
aufweist. Durch die Verwendung einer Kombination von druckbeständiger Wand
und korrosionsbeständigem,
innenliegenden Gasführungsrohr
gelingt es, die druckbeständige aber
nicht korrosionsbeständige
Wand vor der Einwirkung von kondensierter Phase bei höherer Temperatur
weitgehend zu schützen
und somit deren Korrosionswirkung zu reduzieren. Dadurch kann die Quenche
einerseits überhaupt
erst unter Druck betrieben werden und andererseits sind als druckfeste Materialien
konventionelle preiswerte Materialien, wie die üblichen Stahllegierungen, die
im Kessel- und Apparatebau verwendet werden, nutzbar.
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Heiße Gase
im Sinne der Erfindung meint insbesondere solche mit einer Temperatur
von etwa 100 bis 2000°C
bevorzugt solche einer Temperatur im Bereich von 110 bis 1000°C. Dabei
kann es sich beispielsweise um Abgase und Rauchgase aus Verbrennungsprozessen
aller Art handeln, bei deren Kondensation mit Wasser hochkorrosive
Flüssigkeiten
gebildet werden. Es kann sich weiterhin um heiße Prozessgase chemischer Synthese-Verfahren
handeln, wie beispielsweise das Prozessgas eines Deacon-Verfahrens
(Katalysierte Oxidation von HCl mit Sauerstoff unter Bildung von
Chlor und Wasser), etc.
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Mit
der erfindungsgemäßen Quenche
gelingt es, die genannten heißen
Gase je nach Eintrittstemperatur auf beispielsweise unterhalb von
100°C (Temperatur
am Gasaustritt der Quenche) abzukühlen.
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Gegenstand
der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Abkühlen von heißen Gasen
(Quenche), die eine druckbeständige
Wand und mindestens ein korrosionsbeständiges, innenliegendes Gasführungsrohr
aufweist.
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Bevorzugt
ist eine Vorrichtung zum Abkühlen von
heißen
Gasen mindestens aufweisend einen Gaseinlass, einen druckbeständigen Behälter mit
der druckbeständigen
Wand, einer Kontaktzone, einem Sumpfbereich und einem Kopfbereich
für die
Aufnahme eines Kondensats, einem Auslass für das abgekühlte Gas, einem Umpumpkreislauf,
der Kondensat aus dem Sumpfbereich über einen Wärmetauscher in den Kopfbereich
fördert,
wobei die Kontaktzone aus einem oder mehreren Kontaktrohren besteht,
in denen Kondensat mit dem heißen
Gas in Kontakt gebracht wird und wobei das Kontaktrohr das korrosionsbeständige innen
liegende Gasführungsrohr
bildet.
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Weiter
bevorzugt ist eine Ausführung
der neuen Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der
Gaseinlass im Sumpfbereich und der Gasauslass im Kopfbereich des
Behälters
angebracht ist, so dass das Gas im Kontaktrohr im Gegenstrom mit dem
Kondensat im Kontaktrohr in Kontakt gebracht wird.
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Bevorzugt
ist auch eine alternative Vorrichtung, bei der der Gaseinlass im
Kopfbereich und der Gasauslass im Sumpfbereich des Behälters angebracht
ist, so dass das Gas im Mitstrom zum Kondensat im Kontaktrohr in
Kontakt gebracht wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung der
Vorrichtung besteht die druckbeständige Wand der Vorrichtung
aus einem Material, das ausgewählt wird
aus der Gruppe, die besteht aus: Stahl, Stahllegierungen, insbesondere
mit Chrom, Nickel oder Molybdän,
Tantal und Tantallegierungen, wobei die Materialien gegebenenfalls
mit Kunststoff oder anderen metallischen Werkstoffen ausgekleidet
oder mindestens teilweise beschichtet sind.
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Das
korrosionsbeständige
innen liegende Gasführungsrohr
besteht insbesondere bevorzugt aus einem Material, das aus der Gruppe
ausgewählt wird,
die besteht aus: Graphit und Modifikationen davon, Keramik, insbesondere
Siliciumcarbid und Siliciumnitrid, aus Quarzglas oder aus Kunststoffen,
insbesondere aus Fluor enthaltenden Polymere, besonders bevorzugt
aus Tetrafluorperfluoralkoxyvinylether-Copolymerisat (PFA), Polytetrafluorethylen (PTFE),
Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Poly(ethylencochlortrifluorethylen)
(ECTFE).
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung ist der
Gaseinlassstutzen druckfest ausgebildet und thermisch isoliert und/oder
beheizbar.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung weist
der Sumpfbereich und/oder der Kopfbereich des Behälters mindestens in
den vom Gas berührten
Teilen eine zusätzliche korrosionsbeständige Wand
oder Beschichtung auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung der
Vorrichtung ist der Zwischenraum zwischen der druckfesten Wand und
der korrosionsbeständigen Wand
mit einem Schutzgas, insbesondere mit Inertgas, beaufschlagbar.
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Eine
andere besonders bevorzugte Ausführung
der Vorrichtung ist so gestaltet, dass die Gasführungsrohre im Betrieb auf
ihrer Außenseite
von gekühltem
Kondensat umgeben sind, das am oberen Ende der Gasführungsrohre
in die Gasführungsrohre hineinfließt.
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Eine
weitere besonders bevorzugte Ausführung der Vorrichtung ist so
gestaltet, dass sich die druckbeständige Wand im Betrieb mindestens
zum Teil in Kontakt mit dem Kondensat befindet.
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Eine
weitere besonders bevorzugte Ausführung der Vorrichtung ist so
gestaltet, dass sich im Betrieb zwischen der druckbeständigen Wand
und den Gasführungsrohren
Kondensat befindet.
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Besonders
bevorzugt ist weiterhin eine Ausführung der neuen Vorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Teil der Gasführungsrohre Düsen zum
Einspritzen und insbesondere Verdüsen von gekühltem Kondensat angeordnet
sind wobei insbesondere im Betrieb das zu kühlende Gas im Gleichstrom zum
Kondensat geführt
wird.
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Weiterer
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Abkühlen
von heißen,
korrosiven Gasen.
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Bevorzugt
ist die Verwendung der neuen Vorrichtung, in der die heißen Gase
eine Temperatur im Bereich von 100 bis 2000°C, bevorzugt im Bereich von
110 bis 1000°C
aufweisen.
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Das
heiße
Gas ist insbesondere ein Produktgas einer katalysierten Gasphasenoxidation
von HCl und Sauerstoff ist und enthält insbesondere bevorzugt HCl
und Wasser.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Abkühlen heißer Gase, insbesondere einer
Temperatur im Bereich von 1000 bis 2000°C unter Verwendung der vorgenannten
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Gas im Gegenstrom oder Mitstrom
durch das oder die Gasführungsrohre
der Vorrichtung geleitet wird und durch Kontakt mit dem Kondensat
gekühlt wird.
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Bevorzugt
ist ein Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Gasflüssigkeitskontaktzone
bis 1000 bar beträgt.
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Besonders
bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem das zu kühlende Gas Chlorwasserstoff
und Wasser enthält
und insbesondere Produktgas einer Gasphasenoxidation von HCl mit
Sauerstoff ist, wobei das Gas im Bereich der Gasführungsrohre
bis zur Kondensation von HCl und Wasser gekühlt wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine druckbeständige
Wand auf. Druckbeständig
im Sinne der Erfindung bedeutet insbesondere druckbeständig oberhalb
eines Überdrucks
von 0,5 bar, bevorzugt oberhalb von 6 bar, noch bevorzugter oberhalb
von 10 bar bis zu einem Druck von etwa 1000 bar. Die druckbeständige Wand
der Vorrichtung besteht bevorzugt aus einem Material, das ausgewählt wird
aus der Gruppe der üblichen
Stahllegierungen, die im Kessel- und Apparatebau verwendet werden, auch
aus Werkstoffen, die bewusst mit Chrom, Nickel, Molybdän legiert
sein können,
sowie aus Werkstoffen wie Tantal und Legierungen, deren Beständigkeit
durch Verbinden mit Edelmetallen wie Platin und/oder Palladium weiter
erhöht
werden. Diese üblichen
Materialien können
auch mit Kunststoffen wie insbesondere fluorenthaltende Polymere,
wie PFA, PTFE, PVDF, HALAR-Typen etc. oder mit metallischen Werkstoffen
wie Tantal ausgekleidet sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist mindestens ein korrosionsbeständiges, innenliegenden Gasführungsrohr
auf. Wenn in der vorliegenden Anmeldung die Begriffe „Gasführungsrohr" oder „Gasführungsrohre" verwendet werden,
so bedeutet dies stets ein oder mehrere Gasführungsrohre. Die Gasführungsrohre
dienen dazu, das heiße
Gas, das aus einem ebenfalls druckbeständigen Gaseinlassstutzen in
die Quenche gelangt, aufzunehmen und darin abzukühlen. Dadurch wird insbesondere
der Kontakt der heißen
kondensierten Phase mit der druckbeständigen, aber im allgemeinen
nicht korrosionsbeständigen
Außenwand
bereits weitgehend vermieden. Die Gasführungsrohre sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im allgemeinen im wesentlichen senkrecht angeordnet.
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Die
korrosionsbeständigen,
innenliegenden Gasführungsrohre
bestehen bevorzugt aus einem Material, dass aus der Gruppe ausgewählt wird,
die besteht aus: Graphit und Modifikationen davon, Keramik wie Siliciumcarbid,
Siliciumnitrid, Quarzglas, Kunststoffe wie fluorenthaltende Polymere,
wie PFA, PTFE, PVDF, Halar-Typen usw..
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Die
korrosionsbeständigen,
innenliegenden Gasführungsrohre
bestehen im Allgemeinen aus einem Material, das nicht druckbeständig ist,
also insbesondere Überdrücken oberhalb
von 0,5 bar, bzw. besonders oberhalb von etwa 6 bar nicht widersteht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt es preiswerte Materialien zu einer druckfesten, korrosionsbeständigen Vorrichtung
zu kombinieren.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist im Allgemeinen einen ebenfalls druckfesten Gaseinlassstutzen
auf. Der Gaseinlassstutzen muss druckfest sein braucht aber nicht
aus einem besonders korrosionsbeständigem Material zu bestehen,
da das eintretende heiße
noch nicht kondensierte, trockene Gas im allgemeinen nicht korrosiv
ist. Die Korrosivität
tritt erst auf, wenn kondensierte insbesondere feuchte wässrige Phase
bei erhöhten
Temperaturen auf den insbesondere metallischen Werkstoff trifft.
Bei Bedarf kann der Gaseinlassstutzen beheizt werden, um eine Kondensation
des eintretenden Gases bereits in diesem Bereich zu verhindern.
Der Gaseinlassstutzen befindet sich in der im Gleichstrom betriebenen
Ausführungsform
in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßig oberhalb
der korrosionsbeständigen,
innenliegenden Gasführungsrohre
und steht nicht im Kontakt mit der umlaufenden Kühlflüssigkeit, um eine Korrosion
des Gaseinlassstutzen zu vermeiden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
sieht bevorzugt Mittel vor, die einen Kontakt der druckbeständigen Wand
mit kondensierter Phase bei höheren Temperaturen
von insbesondere mehr als 110°C
vermeiden. Dies sind im allgemeinen die Bereiche der Vorrichtung,
bei der relativ hohe Temperaturen, wie von insbesondere mehr als
110°C in
feuchter Umgebung auftreten, wie es beispielsweise in Bild 3 im
Bereich zwischen Gaseinlassstutzen 3 und druckbeständiger Wand 5 der
Fall ist.
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In
einer bevorzugten Vorrichtung der Erfindung wird als ein Mittel,
um einen Kontakt von korrosionsanfälligen Teilen der Vorrichtung,
insbesondere der druckbeständigen
Wand mit kondensierter Phase bei höheren Temperaturen von insbesondere
mehr als 110°C
zu vermeiden, eine Zuleitung für
ein Sperr- bzw. Inertgas im Bereich zwischen druckbeständiger Wand
und Gaseinleitungsstutzen verwendet. Das Sperrgas verhindert, dass
heißes
eintretendes Gas in Gegenwart von kondensierter Phase in Kontakt
mit den korrosionsanfälligen
Teilen kommt. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Mittel für eine im Gleichstrom
betriebene erfindungsgemäße Quenche zeigt
Bild 3. Wie Bild 3 zeigt, können
zusätzlich
Strömungsleitungsvorrichtungen,
wie der Innenkegel 7 vorgesehen werden, um den Kontakt
von heißem Gas
mit der Wand im Bereich der Kühlflüssigkeit
zu vermeiden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform dieser
Mittel für
eine im Gegenstrom betriebene erfindungsgemäße Quenche zeigt Bild 1.
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Ein
bevorzugtes Sperrgas in der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise
ein Inertgas, wie Stickstoff oder ein Edelgas sein. In einem Prozessgas
eines Deaconprozesses ist es bevorzugt Sauerstoff, der sich ohnehin
in diesem Prozessgas in großen
Mengen befindet.
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In
einer bevorzugten Vorrichtung der Erfindung sind die korrosionsbeständigen Gasführungsrohre
zumindest teilweise von einer Kühlflüssigkeit umgeben.
Diese Kühlflüssigkeit
tritt weiterhin bevorzugt am oberen Teil der Gasführungsrohre
in die Gasführungsrohre
hinein. Am unteren Ende der Gasführungsrohre
wird die Kühlflüssigkeit
aufgenommen und nach Abkühlen
in der Vorrichtung umgepumpt bzw. zurückgeführt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist im allgemeinen so beschaffen, dass sich mindesten ein Teil,
im allgemeinen der größere Teil
der druckbeständigen
Wand in Kontakt mit der umlaufenden Kühlflüssigkeit befindet. Dadurch
wird wirkungsvoll verhindert, dass in diesem Bereich eine Korrosion der
im allgemeinen nicht oder wenig korrosionsbeständigen druckhaltenden Wand
stattfindet, da die dazu erforderlichen Temperaturen in diesen Bereichen
im allgemeinen nicht erreicht werden.
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Bevorzugt
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
so ausgestaltet, dass sich zwischen der druckbeständigen Wand
und den Gasführungsrohren
die umlaufende Kühlflüssigkeit
befindet, die am oberen Ende in die Gasführungsrohre eintritt und unten
gesammelt und umgepumpt wird.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren
wird als Kühlflüssigkeit
insbesondere Wasser oder eine wässrige Säure, wie
verdünnte
Salzsäure
verwendet. Weiterhin sind andere prozessspezifische Waschmittel,
wie etwa Alkohole oder etwa wässrige
Aminlösungen denkbar.
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In
einer Ausführungsform
der Vorrichtung, wie sie beispielsweise in Bild 3 gezeigt ist, wird
das eintretende heiße
Gas im Gleichstrom zur Kühlflüssigkeit
geführt.
In einer solchen im Gleichstrom betriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist diese im oberen Teil der Gasführungsrohre zusätzlich Düsen zum
Einspritzen der Kühlflüssigkeit
auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Vorrichtung, wie sie beispielsweise in Bild 1 gezeigt ist, wird
das eintretende heiße
Gas im Gegenstrom zur Kühlflüssigkeit
geführt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist im allgemeinen zum Abkühlen
von heißen
Gasen einer Temperatur im Bereich von 100 bis 2000°C, bevorzugt
im Bereich von 110 bis 1000°C
(gemessen am Gaseinlassstutzen) geeignet ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist im allgemeinen so beschaffen, dass sie zum Betrieb bei Überdrücken im
Bereich von 0,5 bis 1000 bar, bevorzugt bei 6 bis 1000 bar geeignet
ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Abkühlen heißer Gase,
das die vor- und nachstehend beschriebene Vorrichtung verwendet.
Dieses Verfahren kann bevorzugt in einem Überdruckbereich zwischen 6
bis 1000 bar betrieben werden. Weiterhin liegt die Temperatur des
eintretenden Gases bevorzugt im Bereich von 110 bis 1000°C.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Beispiel
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Bild
1 zeigt eine schematische Darstellung einer im Gegenstrom von Flüssigkeit
und zu quenchendem Gas betriebenen speziellen erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wie er beispielsweise zur erfindungsgemäßen Abkühlung von heißen, partiell
oder auch vollständig
kondensierenden Gasen mit korrosiven Eigenschaften des heißen Kondensats
eingesetzt werden kann. Dem Fachmann ist klar, dass einzelne dort
offenbarte Merkmale auch Aufnahme in den allgemeineren Kontext der
Patentansprüche
finden können
bzw. mit diesen kombiniert werden können.
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Der
heiße
Gasstrom 1, der unter anderem Chlorwasserstoff und Wasser
enthält
(Stickstoff 11 Gew%, Sauerstoff 27 Gew%, Kohlendioxid 9 Gew%, Chlor
39 Gew%, Wasser 9 Gew%, und Chlorwasserstoff 5 Gew%), tritt dabei
in den unteren Teil (Sumpfbereich 31) des Quench-Apparats 2 ein.
Nach Abkühlung
und Kondensation tritt der kalte Gasstrom 3 am oberen Teil
(Kopfbereich 32) durch den Auslass 33 aus. Im
mittleren Teil der Quenche 2 wird der Gasstrom durch Rohre 4 geführt. Die
Rohre stehen in einer Flüssigkeit 5,
hier Salzsäure,
die aus gesammeltem, gekühltem
Kondensat des Gasstroms 1 besteht. Die Rohre 4 werden
an ihrer Unterseite in einem Rohrboden 20 gefasst. An ihrem
oberen Ende werden sie durch ein Stützgitter 24 fixiert.
Dieses Stützgitter
erlaubt einen freien Durchtritt der Flüssigkeit 5. Die Flüssigkeit 5 wird
aus dem Sumpf 6 der Quenche 2 über eine Kreislaufleitung 7 mit
der Pumpe 8 in deren mittleren Teil gefördert. Die Flüssigkeit
tritt durch den Flansch 25 am unteren Ende der Rohre 4 in
die Quenche 2 wieder ein. Überschüssige Flüssigkeit 9 wird abgezogen.
Zur Kühlung
der Flüssigkeit
in der Kreislaufleitung dient der Wärmeübertrager 10.
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Im
mittleren Teil der Quenche 2 läuft die Flüssigkeit 5 am oberen
Ende der Rohre 4 in diese hinein und rinnt an der Rohrinnenseite
im Gegenstrom zum aufsteigenden Gasstrom hinab.
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Damit
die Flüssigkeit 5 dabei
gleichmäßig auf
der Rohrinnenseite verteilt werden kann, ist es üblich, die Stirnseite der Rohre 4 wie
in Bild 2 gezeigt z.B. mit Zacken 11 auszuführen. Es
kann jedoch auch jede andere Art von Flüssigkeitsverteilung wie zum
Beispiel Schlitze, die axial oder tangential in das obere Ende der
Rohre eingearbeitet sind, verwendet werden.
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Der
Gasstrom wird nun durch die herabrinnende Flüssigkeit gekühlt und
seine kondensierbaren Bestandteile partiell oder auch vollständig kondensiert.
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Es
muss dabei verhindert werden, dass heißes Kondensat mit den Teilen
der Quenche 2 in Berührung
kommt, die es korrosiv angreift. Ein solches Kondensat ist hier
heiße
Salzsäure.
Ein korrosiver Angriff muss z.B. beim Gaseintrittsstutzen 12 oder der
Wand 13 der Quenche oder dem Rohrboden 20 verhindert
werden.
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Dies
ist z.B. beim Gaseintrittsstutzen 12 durch eine Reihe von
Maßnahmen
möglich:
Zunächst
wird der Stutzen 12 durch eine Beheizung dagegen geschützt, dass
an ihm das eintretende Gas kondensiert. In Bild 1 ist dazu beispielsweise
ein Doppelmantel 14 skizziert, der über den Stutzen 15 mit
einem Heizmedium, wie z.B. Dampf, oder Heißwasser oder auch einem Wärmeträgeröl versorgt wird. Über den
Stutzen 16 kann das Heizmedium wieder abgezogen werden.
Eine alternative Beheizungsmöglichkeit
wäre z.B.
ein elektrischer Heizleiter, der um den Stutzen 12 gewickelt
werden könnte.
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Um
eine Benetzung des Stutzens 12 mit Kondensat, das aus den
Rohren 4 tropft zu vermeiden, sind weitere Maßnahmen
nötig:
Zunächst
müssen
die Rohre 4 einen deutlichen Abstand vom Stutzen 12 aufweisen.
Dies ist in Bild 1 dadurch gelöst, dass
die Rohre 4 nicht den gesamten Querschnitt der Quenche 2 ausfüllen, sondern
nur einen Teil. Dieser Teil ist so bemessen, dass ein Spritzschutz 17 zwischen
Stutzen 12 und Rohren 4 installiert werden kann.
Dieser Spritzschutz wird auf der einen Seite mit heißem Gas
und auf der anderen mit Kondensat beaufschlagt. Deshalb kann nicht
ausgeschlossen werden, dass sich das Kondensat aufheizt und eine
Temperatur annimmt, die zu einem korrosiven Angriff auf das Material
des Spritzschutzes führt.
Da der Spritzschutz keine Wand nach außen darstellt, wird an ihn nicht
die Anforderung gestellt, druckfest zu sein. Er kann deshalb aus
einem Material hergestellt werden, das nicht druckfest ist, aber
sehr wohl stabil ist gegenüber
heißen,
korrosiven Flüssigkeiten
wie heißer Salzsäure. Beispielsweise
kommen dafür
Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid oder andere geeignete keramische
Werkstoffe oder Kunststoffe in Frage.
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Um
eine Benetzung der Wand 13 mit heißem, korrosiven Kondensat zu
vermeiden, ist der mittlere Teil der Quenche 2, in dem
die Rohre 4 angeordnet sind, mit kaltem Kondensat geflutet.
Das kalte Kondensat ist im Gegensatz zum heißen Kondensat nicht so korrosiv,
so dass geeignete metallische Werkstoffe, die druckfest, aber nicht
zu korrosionsfest sind, dafür
verwendet werden können.
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Im
oberen Teil der Quenche 2, oberhalb der Rohre 4,
ist die Wand 13 zwar nicht mehr durch kaltes Kondensat
geschützt,
aber hier ist das Gas bereits abgekühlt, so dass kein heißes Kondensat
mehr entstehen kann.
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Im
unteren Teil 31 der Quenche 2, unterhalb der Rohre 4,
sind wieder mehrere Maßnahmen
zu treffen, um Korrosion an der Wand 13 zu vermeiden. Zunächst muss
verhindert werden, dass heißes
Gas aus dem Eintrittsstutzen 12 an die Wand gelangt. Dazu
wird der Stutzen 12 durch ein zylindrisches Rohr 18 geführt. Das
Rohr 18 kann von heißem,
korrosiven Kondensat, das aus den Rohren 4 tropft, benetzt
werden und muss daher aus einem Material hergestellt sein, das stabil
ist gegenüber
heißen,
korrosiven Flüssigkeiten.
Da das Rohr 18 nicht drucktragend ist, kommen dafür wieder
die gleichen Materialien in Frage wie für den Spritzschutz 17.
Um zu vermeiden, dass heißes
Gas unter dem Rohr 18 durchströmt und an die Wand 13 gelangt,
steht das Rohr 18 in der Sumpfflüssigkeit 6 auf einem
Tragring 19. Damit heißes
Gas nicht zwischen Rohr 18 und Rohrboden 20 hindurchströmt und an
die Wand 13 gelangt, wird das Rohr 18 mit einer
Federkonstruktion 21 an den Rohrboden 20 gepresst.
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Da
diese Pressung nicht zu einer völligen Abdichtung
führt und
weil der Stutzen 13 durch eine Öffnung in das Rohr 18 gesteckt
ist, können
weitere Maßnahmen
getroffen werden, um die Entstehung von heißem, korrosiven Kondensat an
der unteren Wand 13 zu verhindern. Dazu wird über den
Stutzen 22 ein Sperrgas 23 in den Raum zwischen
der unteren Wand 13 und dem Rohr 18 geleitet.
Dieses Sperrgas kann ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon sein, es
könnte
aber auch Luft oder Kohlendioxid zum Einsatz kommen. Die Art des
Sperrgases hängt
von seiner Eignung im Prozess ab, für den die Quenche verwendet
wird. Für
einen HCl-Oxidationsprozess (Deacon-Prozess) kann ein weiteres, besonders
geeignetes Sperrgas Sauerstoff sein, da dieses Gas im Prozess zur
Oxidation von HCl-Gas zu Chlor verwendet wird und daher keine Fremdkomponente
darstellt.
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Das
Sperrgas verhindert nun, dass ein Teil des Gasstroms 1,
nachdem es den Stutzen 12 verlassen hat, zwischen Rohr 18 und
Wand 13 strömt. Die
Gasströmung
wird dadurch verhindert, dass das Sperrgas 23 nur durch
den Spalt zwischen Rohrboden 20 und Rohr 18 sowie
durch den Spalt zwischen dem Stutzen 12 und der Öffnung im
Rohr 18 in den Innenraum der Quenche strömen kann.
Da es durch diese beiden Spalte strömen muss, hindert es das eintretende
Gas 1 am Durchströmen
der beiden Spalte in der Gegenrichtung.
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Auch
der Rohrboden 20 wird durch ein Bündel von Maßnahmen gegen heißes, korrosives
Kondensat geschützt.
Auf der einen Seite des Rohrbodens 20 steht das gekühlte Kondensat,
das ebenfalls den Rohrboden kühlt.
Heiße
Gase können
zwar auf der anderen Seite kondensieren, allerdings bildet sich
durch die Kühlung
des Rohrbodens ein kalter Kondensatfilm, der einen Schutz gegen
die darauf kondensierte, heiße,
korrosive Flüssigkeit
darstellt.
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Die
Kühlung
des Rohrbodens kann durch weitere Maßnahmen verbessert werden.
So kann der Rohrboden z.B. einen Kupferkern enthalten, der eine besonders
hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist und damit zu einer besonders kleinen Temperaturdifferenz zwischen
der kühlen
Seite des Rohrbodens, auf der das gekühlte Kondensat steht, und der
warmen Seite, an der das Gas kondensiert, führt.
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Eine
weitere Maßnahme
kann darin bestehen, dass der Rohrboden selbst gekühlt wird.
Er kann dazu z.B. aus zwei Scheiben hergestellt werden, wobei in
die eine Seite der ersten Scheibe nutförmige Kanäle eingearbeitet werden. Die
zweite Scheibe wird dann auf die Seite der ersten Scheibe gelegt,
in die die Kanäle
eingearbeitet sind. Nach geeigneter Verbindung der beiden Scheiben,
z.B. durch Schrauben, weist der Rohrboden nun Kanäle auf,
die von einem Kühlmittel
durchströmt
werden können.
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Weiterhin
sind die Rohre 4 nicht bündig in den Rohrboden 20 gesteckt,
sondern ragen ein Stück aus
dem Rohrboden hinaus. Dadurch werden die heißen Gase nicht unmittelbar
am Rohrboden in die Rohre geführt,
sondern in einem Abstand dazu. Dies hat den Vorteil, dass die heißen Gase
am Eintritt in die Rohre keinen unmittelbaren Kontakt zum Rohrboden
haben. Weiterhin wird die Stelle, an der die Rohre 4 durch
den Rohrboden 20 geführt
werden, durch einen Flüssigkeitsfilm
gegen die hohe Gastemperatur geschützt.
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Die
Rohre 4 selbst sind dem Angriff durch korrosive, heiße Kondensate
ausgesetzt. Da sie aber, genauso wie der Spritzschutz 17 und
das Rohr 18 nicht drucktragend sein müssen, können sie aus denselben Materialien
wie diese gefertigt werden.
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In
Bild 3 ist ein Prinzipbild eines Apparates zur erfindungsgemäßen Abkühlung von
heißen,
partiell oder auch vollständig
kondensierbaren Gasen dargestellt, bei dem das zu kühlende sowie
zu kondensierende Gas und die Kühlflüssigkeit
im Gleichstrom geführt
werden. Dem Fachmann ist klar, dass einzelne dort offenbarte Merkmale
auch Aufnahme in den allgemeineren Kontext der Patentansprüche finden
können
bzw. mit diesen kombiniert werden können.
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Der
in der erwähnten
Abbildung skizzierte und im folgenden näher beschriebene Apparat kann insbesondere
zur Abkühlung
und Kondensation von Gasen eingesetzt werden, deren heiße Kondensate, z.B.
wässrige
Salzsäure,
korrosive Eigenschaften besitzen.
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Das
zu kühlende
bzw. zu kondensierende Gas 1 tritt über einen als Einsteckrohr
ausgeführten Stutzen 3 in
den oberen Teil 32 des Quench-Apparates 2 ein.
Von dort aus gelangt das noch immer heiße Gas direkt in ein korrosionsbeständiges Innenrohr 4 des
Apparates. Da dieses Bauteil nicht druckbeständig sondern lediglich formstabil
sein muss, kommen hier neben beispielsweise keramischen Werkstoffen auch
temperaturbeständige
Kunststoffe in Frage. Das Einsteckrohr 3 und das Innenrohr 4 sind
konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der Innendurchmesser des
Einsteckrohrs 3 typischerweise etwas kleiner, höchstens
aber ebenso groß ist,
wie der des korrosionsbeständigen
Innenrohrs 4. Zwischen dem Innenrohr 4 und dem
druckfesten Mantel 5 des Apparates befindet sich Kühlflüssigkeit 6,
die kontinuierlich umgepumt wird. Am oberen Ende des Innenrohres läuft die
Kühlflüssigkeit 6 über und
bildet auf der Innenseite des Innenrohres 4 einen Film,
der einerseits das korrosionsbeständige Material des Innenrohres 4 vor
zu hohen Temperaturen schützt
und andererseits eine kalte Oberfläche für die Abkühlung und Kondensation des
heißen
Gases zur Verfügung
stellt. Der vertikale Abstand zwischen dem Einsteckrohr 3 für die Gaszufuhr
und dem korrosionsbeständigen
Innenrohr 4 muss demnach so groß sein, dass ein ungehindertes
Ablaufen der Flüssigkeit über die
Innenrohr-Oberkante auch bei schwankenden Betriebszuständen gewährleistet
ist. Hierfür
kann es sinnvoll sein, die Rohroberkante des Innenrohres 4,
wie in Bild 3 gezeigt, gezackt auszuführen. Zudem ist ein Kontakt
zwischen der überlaufenden
Kühlflüssigkeit 6 und
dem heißen
Einsteckrohr 3 unbedingt zu vermeiden, da dies zu Korrosion
im betroffenen Bereich des Einsteckrohrs 3 führen kann.
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Um
weiterhin zu verhindern, dass heißes Gas durch den Spalt zwischen
Einsteckrohr 3 und Innenrohr 4 an den druckhaltenden
Mantel 5 des Apparates gelangt, wird ein trockenes Sperrgas 8 beständig in
den Raum oberhalb des Spaltes gefördert, so dass sich ein hinreichend
kaltes Gaspolster bildet und das abzukühlende Heißgas in das Innenrohr 4 gedrängt wird.
Ein zusätzlich
installierter Innenkegel 7 aus korrosionsbeständigem Material
sorgt für
eine vorteilhafte Strömungsführung für das Sperrgas.
Die Auswahl eines geeigneten Sperrgases 8 ist im wesentlichen
von den Gegebenheiten des Gesamtprozesses abhängig. Grundsätzlich möglich erscheinen jedoch
vor allem Inertgase wie Stickstoff oder Argon, aber auch Luft oder
Kohlendioxid. Im speziellen Fall eines HCl-Oxidationsprozesses (Deacon-Prozess) bietet
es sich an, Sauerstoff als Sperrgas 8 einzusetzen, da dieser
bei der Oxidation von HCl-Gas zu Chlor ohnehin im Prozess benötigt wird
und demnach keine zusätzliche
Komponente darstellt.
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Neben
dem Einströmen
von heißem
Gas in den Mantelbereich ist auch eine unerwünschte Abkühlung und Teilkondensation
bereits innerhalb des Einsteckrohrs 3 bzw. an dessen Innenwänden zu
vermeiden. Hierzu kann es dann kommen, wenn zum Beispiel der Sperrgasstrom 8 für eine deutliche
Abkühlung
auf der Innenseite des gaszuführenden
Einsteckrohrs 3 sorgen würde. Um dem entgegenzuwirken,
ist die Wand des Einsteckrohrs 3 mit einer geeigneten Isolierung 9 zu
versehen. Unter Umständen
ist eine zusätzliche
Beheizung beispielsweise mittels Heizdampf oder auch elektrischer
Energie vorzusehen.
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Im
oberen Teil des Innenrohres 4, allerdings unterhalb der
Rohroberkante, sind schließlich
eine oder mehrere Sprühdüsen 10 angeordnet,
mit deren Hilfe Kühlflüssigkeit
im Gasraum fein verteilt wird. Die Anordnung von Sprühdüsen kann
auch in mehreren Ebenen untereinander erfolgen. Hierdurch kommt
es zu einem intensiven Kontakt des zu kühlenden und zu kondensierenden
Gases mit dem Kühlmedium, was
zu einer schlagartigen Temperaturabsenkung sowie zu einer teilweisen
oder gegebenenfalls auch vollständigen
Kondensation des Gases führt.
Die Sprühdüsen 10 sowie
die im Innenrohr 4 liegende Zuführleitung und Düsenbefestigung
selbst sind aus einem temperatur- und
gleichzeitig korrosionsbeständigen
Material auszuführen,
da hier, ähnlich
wie im Gaseintrittsbereich des Innenrohres 4, das heiße Gas auf
von Kühlflüssigkeit
bzw. Kondensat benetzte Bauteile trifft. Dagegen kann die Zuführleitung
zu den Sprühdüsen in der
Nähe der
druckfesten Außenwand 5 aus
dem gleichen Material ausgeführt
werden, wie diese selbst, da hier die Temperatur etwa bei der des Kühlmittels
liegt. Eine vollständige,
druckfeste Abdichtung im Bereich des Durchtrittes der Zuführleitung
zu den Sprühdüsen 10 durch
das Innenrohr 4 ist nicht erforderlich.
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Anschließend gelangt
das inzwischen abgekühlte
Gas gemeinsam mit der Kühlflüssigkeit
bzw. dem Kondensat in den unteren Teil des Quench-Apparates der
zur Trennung von Gas- und Flüssigphase dient.
Hier kommt es nun erstmalig zum Kontakt zwischen Gas bzw. Kondensat
und der druckfesten Außenwand 5 des
Apparates. Aufgrund der bereits erfolgten Abkühlung von Gas und Kondensat
im Innenrohr 4 ist jedoch der Einsatz eines Materials möglich, das
bei einer deutlich geringeren Temperatur als der des Heißgases korrosionsbeständig ist.
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Das
nicht kondensierte, jedoch abgekühlte Gas 11 verlässt den
Apparat über
einen Gasaustritt 12. Einrichtungen zur Führung der
Gasströmung 13, zum
Beispiel Umlenkbleche, können
hierbei dafür sorgen,
dass möglichst
wenig Kondensat- bzw. Kühlmittelflüssigkeit
mit dem Gasstrom ausgetragen wird.
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Die
vom abgekühlten
Gas abgeschiedene Flüssigkeit
wird im Sumpf 14 des Apparates gesammelt und von dort aus
mit Hilfe einer Pumpe 15 abgezogen. Ein Teil der Flüssigkeit
wird als Kühlmittel über eine
Kreislaufleitung zunächst
zu einem Wärmetauscher 17 gefördert, dort
auf ein festgelegtes Temperaturniveau abgekühlt und schließlich als Kühlmittel
wieder den Sprühdüsen 10 und
dem Überlauf
zwischen druckfestem Mantel 5 und Innenrohr 4 zugeführt. Eine
geeignete Regelung sorgt dafür,
dass die im System befindliche Kühlmittelmenge
etwa konstant bleibt. Die durch die Kondensation als Überschuss
anfallende Flüssigkeitsmenge
wird als Kondensat 16 abgezogen.