DE10247203B4 - Heating element for heating aggressive gases - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Heizen von strömenden, aggressiven Gasen, in der das Gas durch mindestens ein metallfreies, poröses, gasdurchlässiges und elektrisch konduktives Heizelement, das mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllt ist, strömt, wobei an die elektrisch leitenden Partikel elektrischer Strom angelegt wird und sich das Gas durch die Wärmeübertragung von den erhitzten elektrisch leitenden Partikeln erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Heizelement selbständig erneuert in dem die elektrisch leitenden Partikel über mindestens ein Reservoir nachgefüllt werden.contraption for heating flowing, aggressive gases in which the gas is separated by at least one metal-free porous gas permeable and electrically conductive heating element that with electrically conductive Particles filled is streaming wherein electrical current is applied to the electrically conductive particles and the gas is heated by the heat transfer from the electrically conductive particles heated, characterized in that the heating element independently renewed in which the electrically conductive particles over at least refilled a reservoir become.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung beinhaltend mindestens ein metallfreies, gaspermeables Heizelement sowie ein Verfahren für die Erwärmung von strömenden, aggressiven Gasen.The The invention relates to a device comprising at least one metal-free, gas-permeable heating element and a method for heating flowing, aggressive gases.
Heizvorrichtungen zum Erhitzen von aggressiven Gasen, die auf Temperaturen von 500 bis 1.700°C erwärmt werden sollen und mit metallischen Heizvorrichtungen chemisch reagieren und diese dadurch zerstören würden, werden meist aus Grafit, Kohle oder Siliciumkarbid gefertigt. Derartige Heizvorrichtungen werden in Form von beispielsweise Rohren, Stangen, oder Formteilen verwendet. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften haben diese Heizvorrichtungen eine nur sehr begrenzte Lebensdauer. Thermische, sowie mechanische Spannungen sind die Hauptursachen für diese geringe Lebensdauer. Die diskreten Heizvorrichtungen des Stands der Technik müssen mit aufwändigen Strom-Kontaktierungen versehen werden. Aufgrund der hohen Temperaturen müssen diese elektrischen Kontakte speziell gekühlt werden, beispielsweise mittels Wasserkühlung. Ein weiterer großer Nachteil bei diesen diskreten Heizvorrichtungen ist die relativ geringe Oberfläche für die Erwärmung der Gase. Die Oberfläche kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Anzahl der Heizelemente oder durch Strahlung auf Einbauteile im Erhitzer erhöht werden. Dies bedeutet wiederum einen Mehraufwand bzw. eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem aufzuheizenden Gas und der Heizvorrichtung.heaters for heating aggressive gases that reach temperatures of 500 up to 1,700 ° C heated should be and react chemically with metallic heaters and thereby destroy them would are mostly made of graphite, coal or silicon carbide. such Heaters are in the form of, for example, pipes, rods, or molded parts used. Because of their mechanical properties these heaters have a very limited lifespan. Thermal and mechanical stresses are the main causes for this short lifespan. The stand's discrete heaters of technology provided with elaborate current contacts become. Because of the high temperatures, these electrical contacts specially chilled be, for example by means of water cooling. Another big disadvantage in these discrete heaters, the relatively small surface area for heating is Gases. The surface can, for example, by increasing the number of heating elements or increased by radiation on built-in parts in the heater. This in turn means an additional effort or a larger temperature difference between the gas to be heated and the heater.
In
der deutschen Patentschrift
Ferner
beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift
Die beiden zuvor genannten Heizvorrichtungen des Stands der Technik haben den Vorteil, dass sie sehr kompakt ausgeführt werden können und technisch notwendige Leistungsdichten von beispielsweise 1 kW/cm2 erzielbar sind. Gleichzeitig werden die Ansprechzeiten im Vergleich zu anderen bekannten Wärmeübertragungsanordnungen, bei denen beispielsweise ein ummanteltes, elektrisches Heizelement in das Strömungsmittel eintaucht, verkürzt.The two aforementioned heating devices of the prior art have the advantage that they can be made very compact and that technically necessary power densities of, for example, 1 kW / cm 2 can be achieved. At the same time, the response times are shortened in comparison to other known heat transfer arrangements in which, for example, a jacketed, electrical heating element is immersed in the fluid.
Nachteilig wirkt sich jedoch die Verwendung von verkohlten Fasern aus, deren chemische Reinheit und Inertheit gegen aggressive Flüssigkeiten nicht gewährt ist. Beim Anlegen von elektrischem Strom können die verkohlten Fasern abbrennen. Dies führt zu lokalen Veränderungen des elektrischen Widerstands und damit zu Temperaturunterschieden innerhalb des elektrischen Heizelements. Weiterhin wird die mechanische Festigkeit reduziert. Es kommt zu Brüchen und Rissen innerhalb des Heizelements und letztendlich zum Ausfall des Heizelements.adversely however, the use of charred fibers affects their chemical purity and inertness against aggressive liquids not granted is. When the electric current is applied, the charred fibers can burn down. this leads to to local changes of electrical resistance and thus temperature differences inside the electric heating element. Furthermore, the mechanical Strength reduced. There are breaks and tears within the Heating element and ultimately to the failure of the heating element.
Die
deutsche Offenlegungsschrift
Durch die Verwendung einer isolierenden Folie aus glasfaserverstärkter Glimmerschicht ist das Heizelement nur bis 900°C temperaturbeständig. Die Oberfläche ist zwar im Vergleich zu den üblichen Strahlungswärmevorrichtungen des Stands der Technik vergrößert, dennoch ist es besonders vorteilhaft die Strömungsgeschwindigkeit des Gases beispielsweise durch die Verwendung eines Filters zu reduzieren. Weiterhin ist es notwenig, die Temperaturdifferenz zwischen Heizelement und durchströmendem Gas entsprechend zu erhöhen, um das Gas auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen.By using an insulating film made of glass fiber reinforced mica layer, the heating element is only temperature-resistant up to 900 ° C. The surface is enlarged in comparison to the conventional radiant heating devices of the prior art, but it is particularly advantageous for the flow velocity of the gas for example by using a filter. Furthermore, it is necessary to increase the temperature difference between the heating element and the gas flowing through in order to heat the gas to the desired temperature.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache, metallfreie und wirkungsvolle Möglichkeit zum Heizen von strömenden, aggressiven Gasen auf Temperaturen von 500–1.700°C mit langen Standzeiten sowie hoher Reproduzierbarkeit bzw. Robustheit zur Verfügung zu stellen.The The invention is therefore based on the object of providing a simple, metal-free and effective possibility for heating flowing, aggressive Gases at temperatures of 500-1,700 ° C with long Downtimes as well as high reproducibility and robustness put.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen von strömenden, aggressiven Gasen, in der das Gas durch mindestens ein metallfreies, poröses, gasdurchlässiges und elektrisch konduktives Heizelement, das mit elektrisch leitenden Partikeln gefüllt ist, strömt, wobei an die elektrisch leitenden Partikel elektrischer Strom angelegt wird und sich das Gas durch die Wärmeübertragung von den erhitzten elektrisch leitenden Partikeln erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Heizelement selbständig erneuert, in dem die elektrisch leitenden Partikel über mindestens ein Reservoir nachgefüllt werden, gelöst.The Object is achieved by the inventive device for heating flowing, aggressive gases in which the gas is separated by at least one metal-free porous gas permeable and electrically conductive heating element that with electrically conductive Particles filled is streaming wherein electrical current is applied to the electrically conductive particles and the gas through the heat transfer from heated the electrically conductive particles, characterized in that that the heating element is independent renewed in which the electrically conductive particles over at least refilled a reservoir are solved.
Die elektrisch leitenden Partikel sind nicht metallisch und bestehen vorzugsweise aus Kohle- oder Grafitkörpern. Diese werden vorzugsweise in verschiedenen Formen und Größen eingesetzt. Als Partikel werden beispielsweise Granulate, Plättchen, Bruchstücke sowie runde oder eckige Formteilchen mit verschiedenen Körnungen und Größen verwendet. Bevorzugt werden Granulate, vorzugsweise mit sphärischer Form verwendet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von porösen Partikeln.The electrically conductive particles are not metallic and exist preferably made of carbon or graphite bodies. These are preferred used in different shapes and sizes. For example, granules, platelets, fragments and round or angular shaped particles with different grain sizes and sizes used. Granules, preferably spherical, are preferably used. Especially the use of porous particles is preferred.
Die Partikel werden in einen nicht metallischen, elektrisch nicht bzw. nur gering leitfähigen Mantel gefüllt und bilden somit das Heizelement. Der Mantel besteht aus temperaturbeständigem, vorzugsweise > 1.800°C, und gegen chemische Gase, wie beispielsweise Halogene, Halogenwasserstoffe, Wasserstoff oder Silane, korrosionsbeständigem Material. Die Materialien, aus denen der Mantel besteht, werden aus der Gruppe enthaltend Quarzglas, Siliciumkarbid, nitriertes Siliciumkarbid oder Bornitrid ausgewählt. Der Mantel besteht vorzugsweise aus einem Rohr, an dessen oberes Ende ein Reservoir ansetzt, in den die elektrisch leitenden Partikel bevorratet sind.The Particles are in a non-metallic, electrically not or only slightly conductive jacket filled and thus form the heating element. The jacket is made of temperature-resistant, preferably> 1,800 ° C, and against chemical gases, such as halogens, hydrogen halides, hydrogen or silanes, corrosion-resistant Material. The materials that make up the coat are from the group containing quartz glass, silicon carbide, nitrided Silicon carbide or boron nitride selected. The coat is preferably made from a tube, at the upper end of which a reservoir is attached, in which the electrically conductive particles are stored.
An dieses erfindungsgemäße Heizelement wird elektrischer Strom angelegt, vorzugsweise an das Reservoir. Durch den elektrischen Widerstand elektrisch leitenden Partikel werden diese auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt.On this heating element according to the invention electrical current is applied, preferably to the reservoir. By the electrical resistance of electrically conductive particles this to the desired one Temperature warmed up.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise senkrecht angeordnet und hat an der oberen Gas- und Stromeintrittsseite mindestens ein Reservoir für die elektrisch leitenden Partikel, bevorzugt Kohle- bzw. Grafitkörper, aus dem diese selbständig in den weiter unterhalb gelegenen Mantel des Heizelements nachgeführt werden, falls die Füllung des weiter unterhalb gelegenen Mantels mit der Zeit einem Materialschwund aufgrund von beispielsweise Abbrand oder Bruch unterliegt. Ursache für den Verbrauch von beispielsweise Kohle- oder Grafitkörpern kann die Reaktion mit Wasserstoff zu Methan sein, wenn beispielsweise das durchströmende Gas Wasserstoff enthält. Das Heizelement ist somit ein zum Großteil sich selbständig regenerierendes Element.The device according to the invention is preferably arranged vertically and has at the upper gas and current entry side at least one reservoir for the electric conductive particles, preferably carbon or graphite body which this independently in track the jacket of the heating element further below, if the filling of the mantle located further down, with time a loss of material due to, for example, burnup or breakage. root cause for the Consumption of, for example, carbon or graphite bodies can contribute to the reaction Hydrogen to be methane, for example if the gas flowing through it Contains hydrogen. The heating element is therefore largely self-regenerating Element.
Die Füllung des Heizelements mit den elektrisch leitenden Partikeln muss nicht eingespannt sein, da die elektrischen Kontakte vorzugsweise nur aufliegen. Die erfindungsgemäße Schüttung kann demnach nicht brechen. Dies führt dementsprechend zu langen Standzeiten.The filling of the heating element with the electrically conductive particles does not have to be clamped because the electrical contacts are preferably only on. The bed according to the invention can accordingly not break. this leads to accordingly to long downtimes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom betrieben werden. Bei der Verwendung von Gleich- bzw. Wechselstrom werden zwei oder ein Vielfaches von 2 bzw. drei oder ein Vielfaches von 3 Heizelementen benötigt. Somit kann die elektrische Kontaktierung der Heizelemente immer an der relativ kalten Gaseintrittsseite positioniert werden.The device according to the invention can with equal, alternate or Three-phase operated. When using direct or alternating current two or a multiple of 2 or three or a multiple of 3 heating elements needed. Thus, the electrical contacting of the heating elements can always be positioned on the relatively cold gas inlet side.
Das Reservoir für die elektrisch leitenden Partikel, wie beispielsweise Kohle- oder Grafitkörper, stellt auch die elektrische Verbindung des Stromeintrittes in die Vorrichtung und somit zu den elektrisch leitenden Partikeln dar.The Reservoir for the electrically conductive particles, such as coal or Graphite body also the electrical connection of the current entry into the device and thus to the electrically conductive particles.
Da das zu erwärmende Gas direkt durch das poröse Heizelement, bestehend aus einzelnen, vorzugsweise porösen Partikeln, mit einer sehr hohen, das Gas aufheizenden Oberfläche durchgeleitet wird, kann eine sehr hohe Leistungsdichte erreicht werden. Dementsprechend werden hohe Wärmeübertragungsraten erzielt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer sehr kompakten Bauweise ausgeführt werden.There the one to be warmed Gas directly through the porous Heating element consisting of individual, preferably porous particles, with a very high surface that heats the gas a very high power density can be achieved. Accordingly become high heat transfer rates achieved. The device according to the invention can be carried out in a very compact design.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Temperatur des Heizelementes aufgrund der hohen Oberfläche nur geringfügig höher als das zu erwärmende Gas ist.On Another advantage is that the temperature of the heating element is due the high surface only slight higher than the one to be warmed Is gas.
Eine erfindungsgemäße Verwendung der Vorrichtung ist in Reaktoren für aggressive Gase die nicht verkoken. Besonders bevorzugt ist die Verwendung in Prozessen, bei denen Silane bzw. deren Abfälle mit Chlorwasserstoff umgesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, wenn beispielsweise Chlor und Wasserstoff bereits technisch zur Verfügung stehen, durch deren Verbrennung Chlorwasserstoff mit hoher Temperatur zu erhalten. Dies lässt sich wirtschaftlich jedoch nur in Großanlagen realisieren. In Anlagen, in denen Chlorwasserstoff bereits vorliegt, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung daher besonders bevorzugt verwendet.One use of the device according to the invention is in reactors for aggressive gases which do not coke. The use in processes in which silanes or their wastes are reacted with hydrogen chloride is particularly preferred. Another option is if, for example, chlorine and hydrogen are already technically available, by burning them to obtain high-temperature hydrogen chloride. However, this can only be achieved economically in large systems. In systems in which hydrogen chloride is already present, the device according to the invention is therefore used with particular preference.
Im Verfahren zur Erwärmung von aggressiven Gasen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Gleich-, Dreh- oder Wechselstrom an die Vorrichtung angelegt. Dabei werden Spannungen von 1–1.200 Volt, vorzugsweise 5–500 Volt, besonders bevorzugt 10–150 Volt verwendet. Die Stromaufnahme liegt dementsprechend im Bereich von 10–10.000 Ampere, bevorzugt 100–1.500 Ampere. Die Gasendtemperatur wird durch Änderung der angelegten Spannung reguliert. Die Aufheizraten der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt vorzugsweise zwischen 10 Minuten und 3 Stunden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können strömende Gase auf Temperaturen von 500–1.700°C erwärmt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Wirkungsgrade von nahezu 100 erzielt.in the Heating process of aggressive gases using the device according to the invention direct, three-phase or alternating current is applied to the device. Tensions of 1–1,200 Volts, preferably 5-500 volts, particularly preferably 10-150 Volts used. The current consumption is accordingly in the range from 10-10,000 Amps, preferably 100-1,500 amps. The gas end temperature is changed of the applied voltage. The heating rates of the device according to the invention is preferably between 10 minutes and 3 hours. With the method according to the invention can flowing Gases are heated to temperatures of 500-1,700 ° C. With the method according to the invention can Efficiencies of almost 100 achieved.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch für nicht aggressive oder inerte Gase sowie für elektrisch nicht leitende Flüssigkeiten.The device according to the invention is also suitable for non-aggressive or inert gases as well as for electrically non-conductive Liquids.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnung 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.On embodiment The invention is shown in drawing 1 and is in the following described in more detail.
Das
zu erwärmende
Gas tritt in die Vorrichtung zur Heizung von strömenden Gasen gemäß Zeichnung
1 an den Stellen A ein, wird von den heißen Kohle- bzw. Grafitkörpern
Die
elektrische Stromversorgung wird an den Punkten C angeschlossen
(Einphasen- oder Gleichstromversorgung). Bei Drehstromversorgung
wären es
drei Anschlüsse
und somit auch drei Gaseinspeisungen. Der Strom fließt über ein
Kohle bzw. Grafitkörperreservoir
Die
Kohle- bzw. Grafitkörper
werden von einem Isolierrohr
Damit
kein Strom über
das Gehäuse
Die
Kohle- bzw. Grafitkörper
Die
Kohle- bzw. Grafitkörper
Die
Heizvorrichtung wird gegen die Behälterwand
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnung 2 dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.On another embodiment The invention is shown in drawing 2 and is below described in more detail.
Das
zu erwärmende
Gas tritt in die Vorrichtung zum Heizen von strömenden Gasen gemäß Zeichnung
2 an der Stelle D ein, wird von den heißen Kohle- bzw. Grafitkörpern des
Heizelementes
Die
elektrische Stromversorgung wird an den Punkten F angeschlossen
(Einphasen- oder Gleichstromversorgung). Bei Drehstromversorgung
wären es
drei Anschlüsse.
Der Strom fließt über die
Kohle- bzw. Grafitkörperreservoirs
Die
Kohle- bzw. Grafitkörper
werden von den Isolierrohren
Damit
kein Strom über
das Gehäuse
Die
Kohle- bzw. Grafitkörper
Die
Kohle- bzw. Grafitkörper
Die
Heizvorrichtung wird gegen die Behälterwand
Die im zuvor genannten Ausführungsbeispiel gemäß Zeichnung 2 beschriebene Vorrichtung zum Heizen von aggressiven Gasen wird in einem weiteren Beispiel mit einer Rohrlänge von 1.000 mm und einem Rohrdurchmesser von 95 mm ausgeführt. Die Vorrichtung wird mit Granulat bestehend aus Grafitteilchen, die einen Durchmesser von 15–20 mm ausweisen, gefüllt. Abschließend wird eine Spannung von 40 V mit einer Frequenz von 50 Hz angelegt. Die Stromaufnahme der Vorrichtung beträgt 900 A. Die Vorrichtung wird mit einem Gasdurchsatz von 90 m3 pro Stunde betrieben. Die Temperatur des austretenden Gases beträgt 900°C. Die Vorrichtung hat eine Aufheizzeit von 2 Stunden bis zum erreichen der Gasendtemperatur. Der Wirkungsgrad erreicht nahezu 100, wobei der Gesamtwirkungsgrad von der thermischen Isolierung abhängt.The device for heating aggressive gases described in the aforementioned embodiment according to drawing 2 is broad Example with a tube length of 1,000 mm and a tube diameter of 95 mm. The device is filled with granules consisting of graphite particles which have a diameter of 15-20 mm. Finally, a voltage of 40 V with a frequency of 50 Hz is applied. The current consumption of the device is 900 A. The device is operated with a gas throughput of 90 m 3 per hour. The temperature of the escaping gas is 900 ° C. The device has a heating-up time of 2 hours until the final gas temperature is reached. The efficiency reaches almost 100, with the total efficiency depending on the thermal insulation.
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| Publication number | Publication date |
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