DE102007035046A1 - Continuously operated ideal tubular reactor system, e.g. for oxidizing toxic material, has sandwich construction for operation in near-critical, critical and supercritical regions of water - Google Patents
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Abstract
Description
Ein kontinuierlich betriebenes ideales Rohrreaktorsystem, welches bei Temperaturen und Drücken arbeitet, die weit über der kritischen Temperatur von > 647 K und dem Druck von > 221 Bar (22,1 Mpa) von Wasser liegen, für die Bildung von kostbaren Mineralien auf der einen Seite und die Vernichtung von gefährlichen und toxischen Abfallströmen auf der anderen Seite. Extreme Schwierigkeiten im Zusammenhang mit Korrosion und Kesselstein werden behoben. Das System wird mit geschmolzenen stickstoffhaltigen Salzen als Heizmittel betrieben, welche für das korrekte Funktionieren des Reaktorsystems erforderlich sind und diese Voraussetzungen schaffen können. One Continuously operated ideal tubular reactor system, which at Temperatures and pressures are working well beyond the critical temperature of> 647 K and the pressure of> 221 Bar (22.1 Mpa) of water, for the formation of precious Minerals on the one hand and the destruction of dangerous and toxic waste streams on the other side. extreme Difficulties associated with corrosion and scale Fixed. The system is made with molten nitrogenous salts operated as heating means, which for the correct functioning of the reactor system and create these conditions can.
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von Reaktionsprodukten wie beispielsweise keramisches, magnetisches, optisches, elektrolytisches, Elektroden- und sonstiges Pulver, den Einsatz von hohen Temperaturen zur Zersetzung unerwünschter Verbindungen sowie eine zu diesen Zwecken eingesetzte Struktur, welche bei nahezu kritischen, kritischen und überkritischen Temperaturen und den entsprechenden gesättigten Drücken der Arbeitsflüssigkeit arbeiten kann, insbesondere ist diese Flüssigkeit Wasser.The The present invention relates to the formation of reaction products such as ceramic, magnetic, optical, electrolytic, Electrode and other powder, the use of high temperatures for the decomposition of unwanted compounds and a too structure used for this purpose, which at near-critical, critical and supercritical temperatures and the corresponding saturated pressures of the working fluid In particular, this liquid is water.
Stand der TechnikState of the art
Es wird ein stabiler Zustand angenommen, in welchem die Bedingungen an jeder Stelle des Reaktors von der Zeit unabhängig sind und der totale Massefluss Φm durch jeden Querschnitt der gleiche ist. In dieser Art von Reaktor fließt die Reaktionsmischung wie ein "Pfropfen" durch das Rohr; die lineare Geschwindigkeit μ der Reaktionsmischung ist an jeder Stelle in einem Querschnitt S senkrecht zum Fluss die gleiche und gleich Φm/ρS. Auf Grund dieser kurzen Erklärung nennen wir diese Art eines Modellreaktors einen Plug Flow Reactor (PFR).A stable state is assumed in which the conditions at each point of the reactor are independent of time and the total mass flow Φ m through each cross section is the same. In this type of reactor, the reaction mixture flows through the tube like a "plug"; the linear velocity μ of the reaction mixture is the same at each point in a cross-section S perpendicular to the flow and equal to Φ m / ρS. Based on this short explanation, we call this type of model reactor a Plug Flow Reactor (PFR).
Die
Zusammensetzung der Reaktionsmischung ist abhängig vom
Abstand Z zur Eintrittsstelle, wie in
Bei
der Betrachtung der Gleichung zur Konversionsrate muss stets auf
die von Bird et al. (1) dargelegte Materialbilanz Bezug genommen
werden, welche lautet:
- mJ
- = Masse von J im System;
- –ΔΦmJ
- = Nettozufluss von J durch Konvektion und gegebenenfalls auch durch einen Diffusionsprozess, in dem
- MJRJ
- = Massenproduktionsrate von J durch chemische Reaktion pro m3
- < >
- = räumlicher Durchschnitt von MJRJ;
- m J
- = Mass of J in the system;
- -ΔΦ mJ
- = Net inflow of J by convection and possibly also by a diffusion process in which
- M J R J
- = Mass production rate of J by chemical reaction per m3
- <>
- = spatial average of M J R J ;
Es muss ein Ausdruck für die chemische Produktionsrate der Spezies vorhanden sein, für welche die Bilanz dargestellt worden ist. Für die Produktionsrate einer Komponente j (die Zerstörungsrate ist praktisch identisch) wird das Symbol Rj verwendet, wenn es in molaren Einheiten pro Einheit Zeit und Volumen ausgedrückt wird; die Produktionsrate in Massen-Einheiten wird dann durch Multiplizieren mit dem molekularen Gewicht M ermittelt.There must be a term for the chemical production rate of the species for which the balance has been presented. For the production rate of a component j (the destruction rate is practically identical), the symbol R j is used when expressed in molar units per unit of time and volume; the production rate in mass units is then determined by multiplying by the molecular weight M.
Bei
einer Reaktion, die sich gemäß der Reaktionsformel
Somit
sind die Konversionsraten |R|J| die Absolutwerte
der molaren Produktionsraten RJ; in ähnlicher Weise
sind die Massenkonversionsraten die Absolutwerte der Massenproduktionsraten.
Werden anstelle von Konversionsraten Produktionsraten verwendet,
wird für die oben stehende Reaktion klar sein, dass die
Produktionsraten der Reaktionskomponenten A und B negativ sind,
da sie verbraucht werden. Für die Produktionsraten würde
sich ergeben:
Aus
Gründen der Einheitlichkeit:
Mit
Hilfe von Gleichung [5] als Ausgangspunkt wird diese Gleichung für
die Komponente J:
Durch
Einführung des Konversionsgrads ζJ würde
sich daraus ergeben:
Das gesamte Reaktorvolumen Vr = SL, das für eine Konversion ζL erforderlich ist, ergibt sich aus der Integration von Gleichung [7]: The total reactor volume V r = SL, which is required for a conversion ζ L , results from the integration of equation [7]:
Die
Gleichung [8] kann im Falle einer konstanten Dichte der Reaktionsmischung
vereinfacht werden; somit, nach Substitution der Relationen:
Es wird auf die Tatsache aufmerksam gemacht, dass das Integral auf der rechten Seite auch in der Berechnung der Reaktionszeit in einem Satzreaktor auftritt. Dies gilt nur, wenn die Dichte konstant ist. Es ist offensichtlich, dass sich in diesem besonderen Fall das Folgende offenbart: Attention is drawn to the fact that the integral on the right side also occurs in the calculation of the reaction time in a batch reactor. This only applies if the density is constant. It is obvious that in this particular case the following is revealed:
Da der Durchfluss von großen Mengen von Abfallströmen eine anpassungsfähige Konstruktion hinsichtlich der Erfüllung der Anforderungen in Bezug auf die Konversionsrate erforderlich macht, ist es offensichtlich, dass die mechanische Gestaltung eines kontinuierlich betriebenen idealen Rohrreaktors (Plug Flow Reactor), der in der Lage sein wird, die genannten strengen Anforderungen zu erfüllen, in großem Maße von den folgenden Angaben abhängen wird:
- a) Menge des aus zwei (2) verschiedenen Abfallstromsystemen aufgenommenen Zuflusses;
- b) Konzentration von organischen Stoffen (%) im Abfallstrom gemeinsam mit dem CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) in kg/metrische Tonne
- c) Minimale Konversionsanforderung (Reduzierung der CSB-Zahl durch den Generator zur anschließenden biologischen Behandlung);
- d) Maximale Wärmeübertragung (Fluss) in Relation zur Querschnittsfläche (S) und der Länge (L) des Reaktors; SL stellt das Volumen (Vr) des Reaktors dar;
- e) Das Heizmittel wird aus einer Mischung aus stickstoffhaltigen Salzen gebildet, welche das Erreichen von hohen Temperaturen < 923 K ermöglichen;
- f) Angemessene Auswahl von Materialien zur Gewährleistung einer maximalen Wärmeübertragung in Verbindung mit der Eliminierung von schwerwiegender Korrosion und beträchtlicher Verkrustung.
- a) the amount of the feed taken from two (2) different waste stream systems;
- b) Concentration of organic matter (%) in the waste stream together with the COD (chemical oxygen demand) in kg / metric ton
- c) Minimum conversion requirement (reduction of COD number by the generator for subsequent biological treatment);
- d) maximum heat transfer (flow) in relation to the cross-sectional area (S) and the length (L) of the reactor; SL represents the volume (V r ) of the reactor;
- e) The heating medium is formed from a mixture of nitrogen-containing salts, which allow the achievement of high temperatures <923 K;
- f) Adequate selection of materials to ensure maximum heat transfer coupled with the elimination of severe corrosion and significant encrustation.
Nun
gilt das Folgende für die vorliegende Erfindung:
Es
ist ein kontinuierlich betriebenes ideales Rohrreaktorsystem entwickelt
worden, welches bei nahezu kritischen, kritischen und überkritischen
Bedingungen betrieben werden kann und Wasser (H2O)
als Lösemittel einsetzt. In Verbindung mit der Manipulation
sowohl der Temperatur als auch des Druckes ist es möglich,
unter den gegebenen Bedingungen synthetische Mineralien zu bilden
und gefährliche toxische Abfallströme in relativ harmlose
Verbindungen zur weiteren biologischen Behandlung zu zerlegen. Ziel
ist es, den CSB so stark zu reduzieren, dass das Wasser (der Hauptbestandteil
dieser Abfallströme) wiederverwertet werden kann, um so große
finanzielle Einsparungen machen zu können. Wasser ist in
bestimmten Gebieten auf der Welt ein kostbares Gut und der Umgang
damit sollte intelligent gehandhabt werden.Now, the following applies to the present invention:
It has been developed a continuously operated ideal tubular reactor system, which can be operated at almost critical, critical and supercritical conditions and uses water (H 2 O) as a solvent. In conjunction with the manipulation of both temperature and pressure, it is possible under the given conditions to form synthetic minerals and break down hazardous toxic waste streams into relatively harmless compounds for further biological treatment. The aim is to reduce the COD to such an extent that the water (the main component of these waste streams) can be recycled in order to make huge financial savings. Water is a precious commodity in certain areas of the world and it should be managed intelligently.
Das
System umfasst ein langes Rohr mit einem annehmbar kleinen Innendurchmesser
aus einem feinkörnigen Kohlenstoffstahl, der als WB36 bezeichnet
wird (15NiCuMoNb5), dessen phänomenale physikalische Eigenschaften
umfassend in meinem
Ausgedehnte und langwierige Tests (die Dauer betrug über zweihundert (200) Stunden) bei nahezu kritischen, kritischen und überkritischen Bedingungen haben gezeigt, dass SAF 2507 trotz seiner Sprödigkeit, infolgedessen seine Biegefestigkeit abnimmt, wenn es als eigenständige Struktur verwendet wird, in Kombination mit WB36 ein hervorragendes Verhalten bezüglich Kesselstein und Korrosion bietet. Diese Tests wurden in meinem privaten Labor sowie bei AB Sandvik Steel durchgeführt.extended and lengthy tests (the duration was over two hundred (200) hours) at near critical, critical and supercritical Conditions have shown that SAF 2507, despite its brittleness, as a result its flexural strength decreases when considered independent Structure is used in combination with WB36 an outstanding Behavior with regard to scale and corrosion. These Tests were done in my private lab as well as at AB Sandvik Steel carried out.
Vor
der Darlegung mehrerer Analysemethoden ist es von oberster Wichtigkeit,
den Begriff der Korrosion zu definieren:
Allgemeine Korrosion
zeichnet sich durch einen gleichförmigen Angriff auf die
Oberfläche des Materials aus, wenn diese einem korrosiven
Mittel ausgesetzt ist. Es ist deshalb möglich, eine Korrosionsrate
zu definieren, die oft als ein Massenverlust pro Flächeneinheit
(g/m2h) oder als ein mittlerer Metallverlust
pro Zeiteinheit (mm/year) angegeben wird. Das Korrosionsverhalten
von metallischen Materialien hinsichtlich allgemeiner Korrosion
wird oft in Isokorrosionsdiagrammen dargestellt.Before presenting several methods of analysis, it is of utmost importance to define the term corrosion:
General corrosion is characterized by a uniform attack on the surface of the material when exposed to a corrosive agent. It is therefore possible to define a corrosion rate, which is often stated as a mass loss per unit area (g / m 2 h) or as an average metal loss per unit time (mm / year). The corrosion behavior of metallic materials with respect to general corrosion is often represented in isocorrosion diagrams.
Die häufigsten Umgebungen, in denen allgemeine Korrosion von Edelstählen auftritt, sind stark saure oder alkalische Umgebungen.The most common environments where general corrosion of Stainless steel occurs, are strongly acidic or alkaline Environments.
Es gibt viele Arten der Korrosion, weshalb ich mich auf jede bestimmte Art beschränken werde; Einzelheiten dazu sind in jedem wissenschaftlichen metallurgischem Handbuch zu finden.It There are many types of corrosion, which is why I am specific to each one Kind of restrict; Details are in each scientific metallurgical manual.
Es
handelt sich um die folgenden Arten:
Interkristalline Korrosion;
Örtliche
Korrosion, die in die folgenden Untergruppen aufgeteilt wird:
- a. Grübchenkorrosion,
- b. Risskorrosion,
- c. Spannungsrisskorrosion.
Intergranular corrosion;
Local corrosion, which is divided into the following subgroups:
- a. pitting,
- b. Corrosion cracking,
- c. Stress corrosion cracking.
Galvanische KorrosionGalvanic corrosion
Allgemeine Informationen zu Edelstählen sowie zum Einfluss von Chrom (Cr), Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Stickstoff (N) und Kupfer (Cu).General Information about stainless steels and the influence of chromium (Cr), nickel (Ni), molybdenum (Mo), nitrogen (N) and copper (Cu).
Edelstahl ist die Bezeichnung für eine Gruppe von Legierungen mit einer Zusammensetzung, die diese Stoffe passivierend wirken lässt, d. h. sie bilden eine passive Schicht, die das Metall vor der Umgebung schützt, um so die Zersetzung des Metalls (Korrosion) zu verhindern. Das wichtigste Legierungselement bei Edelstählen ist Chrom (Cr), das in Konzentrationen von über 12–13% eine passive Schicht auf dem Metall bildet.stainless steel is the name for a group of alloys with a composition that makes these substances passivating, d. H. They form a passive layer that protects the metal from the environment protects, so as to decompose the metal (corrosion) prevent. The most important alloying element in stainless steels is chromium (Cr), which is present in concentrations of more than 12-13% forms a passive layer on the metal.
Ein steigender Chromanteil führt zu einer stärkeren Passivität und somit zu einer höheren Korrosionsbeständigkeit. Chrom ist ein so genannter Ferritstabilisator, das heißt, dass Chrom die Struktur von Eisen nicht verändert, welches über eine ferritische Struktur verfügt. Die physikalischen Eigenschaften einer Legierung, bei der nur Chrom hinzugefügt ist, unterscheiden sich folglich nicht viel von reinem Eisen. Diese Arten von Legierungen werden als ferritische Edelstähle bezeichnet.One rising proportion of chromium leads to a stronger one Passivity and thus to a higher corrosion resistance. Chromium is a so-called ferrite stabilizer, that is, that chromium does not alter the structure of iron, which over has a ferritic structure. The physical properties an alloy in which only chromium is added, differ consequently not much of pure iron. These types of alloys are referred to as ferritic stainless steels.
Obwohl Chrom den Stahl rostfrei macht, kann es aggressiveren Umgebungen nicht standhalten. Des Weiteren ist die Verformbarkeit von ferritischen Stählen beschränkt. Zur Behebung dieses Problems werden weitere Elemente hinzugefügt, um die Struktur, die mechanischen Eigenschaften sowie die Korrosionsbeständigkeit zu modifizieren.Even though Chrome makes the steel stainless, it can be more aggressive environments not withstand. Furthermore, the ductility of ferritic Steels limited. To fix this problem additional elements are added to the structure, the mechanical properties as well as corrosion resistance to modify.
Die
Auswirkungen der Zusätze der zuvor genannten Elemente auf
die (verbesserten) physikalischen Eigenschaften finden sich auch
in jedem wissenschaftlichen metallurgischen Handbuch, doch es ist
sinnvoll, die vier (4) Haupttypen von Strukturen in Edelstählen
hier aufzuführen:
Ferritisch;
Austenitisch;
Duplex
(ferritisch-austenitisch).The effects of the additions of the above elements to the (improved) physical properties are also found in every scientific metallurgical handbook, but it makes sense to list the four (4) main types of structures in stainless steels here:
Ferritic;
austenitic;
Duplex (ferritic-austenitic).
Austenitische EdelstähleAustenitic stainless steels
Die austenitische Familie der Edelstähle deckt ein breites Spektrum an Legierungselementen ab, angefangen bei 18–9 bis zu Superausteniten mit bis zu 7% Molybdän (Mo) und dem passenden Gehalt an Chrom (Cr) und Nickel (Ni). Diese Superaustenite werden oft auch mit Stickstoff (Ni) legiert. Die Korrosionsbeständigkeit ist deshalb an eine große Vielfalt von korrosiven Umgebungen angepasst. Die Superaustenite sind meistens so zusammengesetzt, dass sie gegenüber Grübchenkorrosion und Risskorrosion in chloridhaltigen Umgebungen, z. B. in Meerwasser, beständig sind. Sie weisen zudem eine gute Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion auf, auch in schwefelwasserstoffhaltigen und alkalischen Lösungen.The austenitic family of stainless steels covers a wide Spectrum of alloying elements, starting at 18-9 up to super austenites with up to 7% molybdenum (Mo) and the appropriate content of chromium (Cr) and nickel (Ni). This super austenite are often alloyed with nitrogen (Ni). The corrosion resistance is therefore due to a wide variety of corrosive environments customized. The super austenites are mostly composed like this that they are resistant to pitting corrosion and crack corrosion in chloride-containing environments, eg. B. in seawater, resistant are. They also have a good resistance to stress corrosion cracking on, also in hydrogen sulphide and alkaline solutions.
Die austenitischen Stähle weisen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen eine gute Duktilität auf und sind mit allen gegenwärtig eingesetzten Techniken gut schweißbar.The austenitic steels exhibit both at low and good ductility at high temperatures Well weldable with all currently used techniques.
Duplex-EdelstähleDuplex stainless steels
Duplex-Edelstähle sind Edelstähle mit einer Mikrostruktur, die gewöhnlich 40 bis 50% Ferrit und die verbleibende Menge als Austenit umfasst. Diese Stähle vereinen wichtige Eigenschaften sowohl der ferritischen als auch der austenitischen Edelstähle. Sie weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit sowie gute Duktilität und Schweißbarkeit auf. Alle modernen Duplex-Edelstähle haben eine nahezu identische (niedrige) Wärmeleitfähigkeit (W/m.K) im Vergleich zu WB36 sowie einen niedrigen Kohlenstoffanteil.Duplex stainless steels are stainless steels with a microstructure that is ordinary 40 to 50% ferrite and the remaining amount comprises austenite. These steels combine important properties of both ferritic as well as austenitic stainless steels. she have excellent corrosion resistance as well as good Ductility and weldability on. All modern Duplex stainless steels have a nearly identical (low) Thermal conductivity (W / m.K) compared to WB36 and a low carbon content.
Duplex-Grade mit einer Wirksumme oder PRE-Zahl (Pitting Resistance Equivalent = %Cr + 3,3% Mo + 16% N) größer als 40 werden als Super-Duplex bezeichnet. Diese Stähle verfügen über sehr gute Eigenschaften hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in chloridhaltigen Umgebungen.Duplex grade with an effective sum or PRE number (Pitting Resistance Equivalent =% Cr + 3.3% Mo + 16% N) greater than 40 are referred to as super-duplex. These steels have very good corrosion resistance properties, especially in chloride containing environments.
Die Duplex-Struktur verleiht eine hohe mechanische Festigkeit, die ungefähr das Zweifache der Festigkeit von Austeniten beträgt, und ist kombiniert mit einer kleinen Wärmeausdehnung, die der von Kohlenstoffstahl ähnelt. Der niedrige Nickelgehalt ist kostensparend und eine hohe mechanische Festigkeit führt zu leichteren Konstruktionen, wodurch sich weitere Kosteneinsparungen ergeben.The Duplex structure gives a high mechanical strength, approximately is twice the strength of austenites, and is combined with a small thermal expansion, which is the of carbon steel. The low nickel content is cost-saving and high mechanical strength leads to lighter structures, resulting in further cost savings result.
Es sollte beachtet werden, dass die Betriebstemperatur von Duplex-Edelstahl als Baustoff auf Grund des Risikos der Versprödung und der Bildung von Niederschlägen auf 574 K beschränkt ist. Die hervorstechenden Vorteile offenbaren sich als Plattierung in Kombination mit WB36.It should be noted that the operating temperature of duplex stainless steel as a building material due to the risk of embrittlement and the formation of precipitation limited to 574 K. is. The salient benefits reveal themselves as plating in combination with WB36.
Die vorliegende Beschreibung dient lediglich als Beispiel und Experten aus dem entsprechenden Fachgebiet werden in der Lage sein, andere Ausführungsbeispiele der Erfindung dieser Offenbarung zu realisieren, ohne dabei von der in Anspruch genommenen Erfindung abzuweichen.The This description is merely an example and an expert from the relevant field will be able to others Embodiments of the invention of this disclosure to realize without departing from the claimed invention departing.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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-
2007
- 2007-07-19 DE DE102007035046A patent/DE102007035046A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
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