DE1300512B

DE1300512B - Device for mixing and performing chemical reactions using a combustion chamber

Info

Publication number: DE1300512B
Application number: DESCH19860A
Authority: DE
Original assignee: SCHOPPE
Current assignee: SCHOPPE
Priority date: 1956-03-31
Filing date: 1956-03-31
Publication date: 1969-08-07

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen und Durchführen von chemischen Reaktionen mittels einer Brennkammer, insbesondere Reaktionen bei stöchiometrischem Mischungsverhältnis, von gasförmigen, flüssigen oder strömungsfähigen festen Stoffen mit- bzw. untereinander, bestehend aus einer ersten, sich von einer dem einströmenden ersten Medium einen Drall aufzwingenden Strömungsleiteinrichtung, stromab zu einer Austrittsöffnung hin erstreckenden Misch- bzw. Reaktionskammer, mit Einrichtungen zum Einführen von mindestens einem zweiten Medium und mit einer sich stromab zu einer zentrischen Austrittsöffnung hin konisch verengenden Wandung. The invention relates to a device for mixing and performing of chemical reactions by means of a combustion chamber, in particular reactions stoichiometric mixing ratio, of gaseous, liquid or flowable solid substances with or with each other, consisting of a first, different from a A flow guide device that forces the inflowing first medium into a swirl, downstream of an outlet opening extending mixing or reaction chamber, with means for introducing at least one second medium and with one wall narrowing conically downstream to a central outlet opening.

Es ist eine Misch- und Reaktionskammer zum Mischen gasförmiger, flüssiger oder strömungsfähiger fester Stoffe mit- bzw. untereinander sowie zur Herstellung von Reaktionsprodukten aus zwei oder mehreren solcher Stoffe bekannt, wobei wenigstens einer der zu mischenden bzw. zur Reaktion zu bringenden Stoffe beispielsweise durch eine Eintrittsleitspirale mit Drall in ein zylindrisches oder sich in der Hauptströmungsrichtung erweiterndes Rohrstück eingeleitet wird. Der derart zugeführte Stoff strömt vom Eintritt entlang der Wandfläche zum Austrittsende des Rohrstücks, kehrt dort teilweise nach innen um und strömt im Bereich der Längsachse bis zum Eintrittsende zurück, wobei sich eine die Längsachse umschließende starke Turbulenz einstellt und der beizumischende Stoff bzw. die beizumischenden Stoffe an beliebigen Stellen des Rohrstücks, vorzugsweise in der Nähe der Längsachse, zugeführt werden. It is a mixing and reaction chamber for mixing gaseous and liquid or flowable solid substances with or with one another as well as for the production of reaction products from two or more such substances known, with at least one of the substances to be mixed or to react, for example an inlet guide spiral with a twist in a cylindrical or in the main flow direction widening pipe section is initiated. The substance supplied in this way flows from the Entry along the wall surface to the exit end of the pipe section, there partially reverses inwards and flows back in the area of the longitudinal axis to the inlet end, with a strong turbulence surrounding the longitudinal axis and the substance to be mixed in or the substances to be mixed in at any point on the pipe section, preferably in the vicinity of the longitudinal axis.

Es ist bekanntlich leicht, Verbrennung von Luft mit Brennstoff bei größerem Luftüberschuß durchzuführen. Soll der Luftüberschuß dagegen möglichst klein sein oder soll sogar eine Verbrennung im stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Verhältnis durchgeführt werden, so entsteht die Schwierigkeit, Luft und Brennstoff genau gleichmäßig und vollständig zu vermischen, zu verbrennen und die dabei entstehenden hohen Temperaturen von über 20000 C einwandfrei zu beherrschen. It is known to be easy to burn air with fuel to carry out a larger excess of air. On the other hand, if the excess air should be as small as possible be or should even be combustion in the stoichiometric fuel-air ratio are carried out, the difficulty arises, air and fuel exactly evenly and to mix completely, to burn and the resulting high temperatures of over 20000 C without any problems.

Man hat sich bisher bemüht, die hohen Reaktionstemperaturen bei weitgehend stöchiometrischen Reaktionen durch keramische Auskleidungen der Misch- und Reaktionskammer zu beherrschen, und nimmt dabei deren geringe Lebensdauer, insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchungen, in Kauf. Weiterhin hat man das Luft-Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Wert vorsichtig so weit angenähert, wie es der dabei ansteigende Verlust im unverbrannten Abgas zuließ. Efforts have been made so far, the high reaction temperatures at largely stoichiometric reactions through ceramic linings of the mixing and reaction chamber to master, and thereby reduces their short service life, especially when exposed to temperature changes, in purchase. Furthermore, the air-fuel ratio is stoichiometric Value carefully approximated as much as the increasing loss in the unburned Exhaust gas allowed.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die aufgezeigten Schwierigkeiten auf einfache Weise vermeidet und in der sich somit einerseits die insbesondere für stöchiometrische Reaktionen erforderlichen hohen und gleichmäßigen Mischleistungen erzielen lassen und andererseits die dabei auftretenden hohen Reaktionstemperaturen leicht so weit beherrschen lassen, daß teure, hochtemperaturbeständige Wandauskleidungen der Misch- und Reaktionskammer vermeidbar sind. Dabei soll die Vorrichtung nicht nur zur Verbrennung von Luft und Brennstoff, sondern auch zur Durchführung von anderen chemischen Reaktionen, z. B. Abbruchreaktionen, und Einfrieren von Gleichgewichten mit Vorteil verwendbar sein, wenn vor allem die Gefahr eines thermischen oder chemischen Angriffs der Kammer wandungen verhindert werden soll. The object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the beginning Specify a way that avoids the difficulties identified in a simple manner and in which, on the one hand, the particular for stoichiometric reactions can achieve the required high and uniform mixing performance and on the other hand the high reaction temperatures that occur can be easily controlled to such an extent that that expensive, high-temperature-resistant wall linings of the mixing and reaction chamber are avoidable. The device should not only be used for the combustion of air and Fuel, but also to carry out other chemical reactions, e.g. B. termination reactions, and freezing of equilibria can be used with advantage be when especially the danger of one thermal or chemical attack on the chamber turns should be prevented.

Die Erfindung löst die Aufgabe in der Weise, daß die Strömungsleiteinrichtung von einer Einlaufspirale gebildet ist und daß die Austrittsöffnung in eine zweite Kammer führt, die mit einer an der der Austrittsöffnung gegenüberliegenden Kammerbegrenzung angeordneten, der Zufuhr eines weiteren Mediums dienenden zweiten Einlaufspirale und im Bereich der Austrittsöffnung mit einem der Mischgasabführung dienenden Austritt ausgestattet ist. The invention solves the problem in such a way that the flow guide device is formed by an inlet spiral and that the outlet opening into a second Chamber leads with a chamber boundary opposite to the outlet opening arranged, the supply of a further medium serving second inlet spiral and in the area of the outlet opening with an outlet serving to discharge the mixed gas Is provided.

Hierdurch wird erreicht, daß in der ersten Misch-und Reaktionskammer eine Teilmischung bzw. Teilreaktion abläuft, wobei die Wände dieser Kammer weitgehend durch einen Teilstrom eines der Mischungs- und/oder Reaktionspartner vor Angriffen geschützt werden, und in der zweiten Misch- und Reaktionskammer die Mischung und/oder Reaktion weitergeführt bzw. beendet wird, wobei die Wände dieser Kammer weitgehend durch ein zusätzliches Medium, etwa ein Inertgas, vor Angriffen geschützt werden. This ensures that in the first mixing and reaction chamber a partial mixture or partial reaction takes place, the walls of this chamber largely by a partial flow of one of the mixture and / or reaction partners against attacks are protected, and in the second mixing and reaction chamber the mixture and / or Reaction is continued or terminated, the walls of this chamber largely be protected from attacks by an additional medium, such as an inert gas.

Es kann von Vorteil sein, den Austritt der zweiten Kammer als Leitspirale auszubilden. It can be advantageous to use the exit of the second chamber as a guide spiral to train.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel zur Durchführung von stöchiometrischen Verbrennungen von Brennstoffen in Luft mehr im einzelnen beschrieben und erläutert. Dabei ist die Vorrichtung nach der Erfindung in einer schematischen Zeichnung im Schnitt dargestellt. The invention is carried out using an exemplary embodiment of stoichiometric combustions of fuels in air are described in more detail and explained. The device according to the invention is shown schematically Drawing shown in section.

Durch einen Pfeil angedeutete Verbrennungsluft 1 tritt, von einer Einlaufspirale 2 mit einem Drall versehen, mit einer schraubenartigen Bewegung in eine erste Misch- bzw. Reaktionskammer 3 ein und durchströmt sie, aus Fliehkraftgründen an der Außenwand 3' anliegend, bis zur konisch verengten Austrittsöffnung 4 der Misch- bzw. Reaktionskammer 3. Kurz vor der Austrittsöffnung 4 macht sich der Sog des im Zentrum der Einlaufspirale wirkenden starken Unterdruckes bemerkbar. Er hindert einen großen Teil der der Austrittsöffnung zustrebenden Strömung, aus der Austrittsöffnung abzuströmen, und saugt sie vielmehr in Kammermitte bis zur Einlaufspirale 2 zurück, wo sie sich radial nach außen umstülpt, umkehrt und in Wandnähe wieder zur Austrittsöffnung läuft. Zwischen der DurchsatzströmungS in Wandnähe und der Rückströmung 6 in Kammermitte bildet sich eine röhrenförmige Zone 7 intensiver Turbulenz, in der eine erste Teilverbrennung stattfindet. Combustion air 1 indicated by an arrow emerges from a Inlet spiral 2 provided with a twist, with a screw-like movement in a first mixing or reaction chamber 3 and flows through it, for reasons of centrifugal force adjacent to the outer wall 3 ', up to the conically narrowed outlet opening 4 of the Mixing or reaction chamber 3. The suction starts shortly before the outlet opening 4 the strong negative pressure acting in the center of the inlet spiral is noticeable. He prevents a large part of the flow heading towards the outlet opening, from the outlet opening to flow away, and rather sucks it back in the middle of the chamber up to the inlet spiral 2, where it turns inside out radially, reverses and near the wall again to the outlet opening runs. Between the flow rate S near the wall and the return flow 6 in the middle of the chamber A tubular zone 7 of intense turbulence forms in which a first partial combustion takes place.

Der dazu nötige Brennstoff wird je nach den Betriebsumständen und der Brennstoffbeschaffenheit durch mindestens eine Brennstoffzufuhr 8 für ein durch einen Pfeil gekennzeichnetes Gas9 etwa in Kammerachse durch die Rückwand 10 der Einlaufspirale 2 und/oder durch mindestens eine Brennstoffzufuhr 11 für ein durch einen Pfeil gekennzeichnetes Gas 12 etwa in Kammerachse im Bereich des Austritts 4 der ersten Misch- bzw. Reaktionskammer 3 zugeführt und verbrennt darin mit einer Flamme, die weit aus der Misch- bzw. Reaktionskammer 3 hinaus in eine zweite Kammer 13 schlägt. Die Brennstoffzufuhr 8 etwa in Kammerachse durch die Rückwand 10 der Einlaufspirale 2 ist durch eine vorgelagerte Wand 14 von der Rückströmung 6 unbeeinflußt. Die Brennstoffzufuhr 11 etwa in Kammerachse im Bereich des Austritts 4 ist an einen Kühlkreislauf 15 angeschlossen. Die flamme ist dabei in der ersten Misch- bzw. Reaktionskammer 3 umgeben von einem Kaltluftschleier von geringer Stärke und großer Stabilität, dessen Dicke und Verlauf durch Abstimmung der Strömungsverhältnisse in der Misch-bzw. Reaktionskammer 3 den Erfordernissen leicht angepaßt werden kann. Vorzugsweise wird die Dicke des Kaltluftschleiers so gewählt, daß sie am Eintritt 16 der Misch- bzw. Reaktionskammer 3 relativ groß ist und am Austritt einen beliebig kleinen Wert erreicht. Hierzu dient der Wulstring 17 am Eintritt 16 der Misch- bzw. Reaktionskammer 3. The fuel required for this is depending on the operating conditions and the fuel quality through at least one fuel supply 8 for one through an arrow marked gas9 approximately in the chamber axis through the rear wall 10 of the Inlet spiral 2 and / or through at least one fuel supply 11 for a through an arrow marked gas 12 approximately in the chamber axis in the area of the outlet 4 of the first mixing or reaction chamber 3 and burns therein with a Flame far out of the mixing or reaction chamber 3 into a second chamber 13 beats. The fuel supply 8 approximately in the chamber axis through the rear wall 10 of the Inlet spiral 2 is unaffected by the return flow 6 through an upstream wall 14. The fuel supply 11 approximately in the chamber axis in the area of the outlet 4 is connected to one Cooling circuit 15 connected. The flame is in the first Mixed or reaction chamber 3 surrounded by a cold air curtain of low thickness and great stability, its thickness and course by coordinating the flow conditions in the mixed or. Reaction chamber 3 can be easily adapted to the requirements. The thickness of the cold air curtain is preferably chosen so that it is at the inlet 16 of the mixing or reaction chamber 3 is relatively large and any one at the outlet small value reached. For this purpose, the bead ring 17 at the inlet 16 of the mixing or Reaction chamber 3.

Die zweite Kammer 13 wird von einem kalten Inertgas 18, beispielsweise rückgeführten Abgasen oder Wasserdampf, in derselben Weise durchströmt wie die erste Misch- bzw. Reaktionskammer 3 von Luft 1. Die aus der ersten Kammer austretende, von einem Kaltluftschleier umgebene Flamme durchströmt die zweite Kammer 13 in deren Mitte bis zu einer Einlaufspirale 19, wo sie sich radial nach außen umstülpt, umkehrt und mit dem Inertgasstrom einer Austrittsspirale 20 zustrebt. Dabei mischt sich die noch unter Luftmangel leidende Flamme mit der restlichen Luft und brennt völlig aus. Die entstehenden, über 20000 C heißen Verbrennungsprodukte mischen sich weitgehend mit dem Inertgas, kühlen dabei ab und verlassen, noch teilweise von einer Inertgasschicht umgeben, die Kammer durch die Austrittsspirale 20. The second chamber 13 is a cold inert gas 18, for example recirculated exhaust gases or water vapor, flows through in the same way as the first Mixing or reaction chamber 3 of air 1. The emerging from the first chamber, Surrounded by a cold air curtain flame flows through the second chamber 13 in their Middle up to an inlet spiral 19, where it turns inside out radially, reverses and tends towards an outlet spiral 20 with the flow of inert gas. This mixes up the flame, still suffering from a lack of air, with the rest of the air and burns completely the end. The resulting combustion products, which have a temperature of over 20,000 C, are largely mixed with the inert gas, cool down and leave, still partially from an inert gas layer surrounded, the chamber by the exit spiral 20.

Auf diese Weise ist es möglich, neben vollständigem Ausbrand bei stöchiometrischem Luft-Brennstoff-Verhältnis eine Brennkammer mit relativ kalten Wänden und damit großer Lebensdauer zu erhalten. Da keine warmfesten Wandmaterialien benötigt werden, ist die Kammer entsprechend leicht und billig. Sie kann durch Abstimmung der Strömungsverhältnisse in weitem Rahmen allen Betriebsbedingungen angepaßt werden und ist daher nicht nur zur Inertgaserzeugung, sondern auch für die verschiedensten chemischen Reaktionen und Mischvorgänge geeignet, insbesondere dann, wenn die Gefahr eines thermischen oder chemischen Wandangriffs verhindert werden soll. In this way it is possible to achieve complete burnout stoichiometric air-fuel ratio a combustion chamber with relatively cold Walls and thus a long service life. There are no heat-resistant wall materials are required, the chamber is correspondingly light and cheap. You can by voting the flow conditions can be adapted to all operating conditions within a wide range and is therefore not only for the generation of inert gas, but also for the most diverse chemical reactions and mixing processes are suitable, especially when the danger thermal or chemical attack on the wall is to be prevented.

Weiterhin bietet die Tatsache, daß die Reaktionsprodukte durch den in die zweite Kammer 13 eintretenden Inertgasstrom sehr rasch abgekühlt werden, eine Anwendungsmöglichkeit dieser Kombination von Kammern zum Abbrechen chemischer Reaktionen und Einfrieren von Gleichgewichten. Furthermore, the fact that the reaction products by the the inert gas stream entering the second chamber 13 is cooled very quickly, an application of this combination of chambers for breaking off chemical Reactions and freezes of equilibria.

Dabei kann das erwähnte Inertgas gegebenenfalls durch ein anderes reaktionsfähiges Gas ersetzt werden.The inert gas mentioned can optionally be replaced by another reactive gas can be replaced.

Claims

Claims: 1. Device for mixing and carrying out chemical Reactions by means of a combustion chamber, in particular reactions at stoichiometric Mixing ratio of gaseous, liquid or flowable solid substances with or with each other, consisting of a first, different from the inflowing first medium a swirl imposing flow guide device, downstream of a Mixing or reaction chamber extending towards the outlet opening, with devices for introducing at least one second medium and with a downstream to it a central outlet opening conically narrowing wall, d a d u r c h g e k e n n n -z e i c h n e t that the flow guide device from an inlet spiral (2) is formed and that the outlet opening (4) leads into a second chamber (13), those arranged with a chamber delimitation opposite the outlet opening (4), the supply of a further medium serving second inlet spiral (19) and in the area the outlet opening is equipped with an outlet serving to discharge the mixed gas is.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the outlet the second chamber (13) is designed as a guide spiral (20).