DE2262739B2

DE2262739B2 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von gasen

Info

Publication number: DE2262739B2
Application number: DE19722262739
Authority: DE
Inventors: eruo; Sano Kazuo; Fukuda Yutaka; Yokohama Shimotsuma (Japan)
Original assignee: Nippon Kokan KJC., Tokio
Priority date: 1971-12-22
Filing date: 1972-12-21
Publication date: 1977-01-20
Also published as: AU464476B2; GB1381368A; AU5025272A; JPS4869158A; CA962663A; FR2164903A1; FR2164903B1; US3862907A; IT974193B; DE2262739A1

Description

45

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von Gasen, bei dem wenigstens zwei unterschiedliche Gasarten tangential sowie in entgegengesetzter Drallrichtung in einen rotationssymmetrischen Mischraum eintreten, aus dem die Gasmischung in Achsrichtung austritt, sowie eine Mischvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die aus einer zylindrischen Mischkammer mit tangential in entgegengesetzter Drallnchtung einmündenden Gaseinlaßrohren und einem axialen Auslaßrohr für die Gasmischung besteht.

Bisher wurden zum Mischen verschiedene Gase Zyklon-Gasmischkammern verwendet, bei welchen das eine Gas axial in den Zyklon eingeführt wurde. während das andere Gas tangential entlang der Außenwand zugeführt wurde. Bei diesen bekannten Zyklonmischkammern erfolgt die Durchmischung an der Grenzfläche der sich etwa rechtwinklig gegeneinander im Inneren bewegenden Gasströme.

Da die Mischung bei derartigen Zyklonmischkammern um so unvollkommener wird, je größer der spezifische Durchsatz ist, ist es bekannt (DT-PS 532532), an Stelle des einen axial eingeführten Gasstromes alle Gasströme tangential durch in gleicher Ebene angeordnete Einlasse - gegebenenfalls in mehreren derartigen paarweisen Einlassen in axialem Abstand - in die Kammer einzuführen, wobei zur Verbesserung der Wirkung bei größerer Durchsatzmenge nicht die Zyklonmischkammer selbst vergrößert wird, sondern mehrere Zyklonmischkammern kleinerer Abmessungen parallel geschaltet weiden.

Es ist ein anderer Weg zur Verbesserung der Durchmischung von mehreren Gasen bekannt (DL-PS 54341), bei welchem ein Gasstrom axial in die zyklonartig ausgebildete Wirbeikammer eingeführt wird, jedoch wenigstens zwei weitere in einer Ebene liegende tangentiale Zuführungen vorgesehen sind, die in Strömungsrichtung gegeneinander wirken. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Mischvorrichtung zwar noch nach Art eines Zyklons ausgebildet, wirkt jedoch nicht mit schraubenförmig entlang der Wandflächen verlaufenden Strömen, die an der Grenzfläche mit dem Mittelstrom sich mit diesem mischen, sondern es ergibt sich durch den Aufeinanderprall der Gasströme eine sehr starke Durchwirbelung in d«'r gesamten Mischkammer.

Alle diese bekannten Oismischkammern erfordern eine nicht unerhebliche Größe im Verhältnis zum Durchsatzvolumen, um eine ausreichende Verweilzeil des Gases in der hzw. den Mischkammern sicherzustellen und eine gute Durchmischung zu ermöglichen. Diese Notwendigkeit wird noch bedeutungsvoller, wenn Gase mil unterschiedlicher Dichte gemisch! wtrden sollen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Zyklongasmischkammer zu schaffen, bei welcher auch bei relativ kleiner Abmessung der Kammer im Verhältnis zum Durchsatz und bei relativ großen Dichteunterschieden der zu mischenden Gase eine sehr innige Durchmischung erfolgt. Nach dem erfindungs^emäßen Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß bei vertikaler Anordnung der Mischraumachse und nach unten austretender Gasmischung das spezifisch leichtere Gas in axialem Abstand unterhalb des spezifisch schwereren Gases, mit höherer Geschwindigkeit als dieses, in den Mischraum eintritt. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die verschiedenen Gase in gegeneinander gerichteten Gasströmen entlang der Wand des zyklonartigen Mischraumes verlaufen, wobei die beiden Gasströme durch die Gegenläufigkeit eine außerordentlich hohe Geschwindigkeitsdifferenz und damit eine außerordentlich gute Durchwirbelung in der Grenzzone aufweisen.

Vorzugsweise beträgt dabei die Eintrittsgeschwindigkeit des leichteren Gases in den Mischraum das 1.15- bis 2Ofache der Eintrittsgeschwindigkeit des schwereren Gases. Bei Mischung von mehr als zwei Gasarten kann das jeweils schwerste Gas oben und die übrigen leichteren Gase in einer gemeinsamen Ebene mit axialem Abstand darunter und unter sich in gleicher Drall richtung in den Mischraum eintreten.

Eine Mischvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich von der bekannten zylindrischen Mischkammer mit tangential len, in entgegengesetzter Drallrichtung einmündenden Gaseinlaßrohren und axialem Auslaßrohr für die Gasmischung dadurch unterscheiden, daß die Gaseinlaßrohre in die vertikal angeordnete Zyklonmischkammer in verschiedenen Höhen einmünden, wobei

IO

der senkrechte Abstand zwischen den Gaseinlaßrohren das 1,5- bis 3fache des Durchmessers des oberen Gaseinlaßrohres beträgt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bekannten Zyklon-Gasmischkamn.er,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Zyklon-Gasmischkammer gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zyklon- Gasmischkammer,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Gasmischkammer gemäß Fig. 3.

Fig. 5 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform dtr erfindungsgemäßen Zyklon-Gasmischkammer,

Fig 6 eine Draufsicht auf die Gasmischkammer gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zyklon-Gasmischkammer, und

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Gasmiscnkammer gemäß Fig. 7.

Zum Mischen verschiedener Gase wurden bisher Zyklon-Gasmischkammern verwendet, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Bei diesen wird das eine Gas 3 in eine zylindrische Mischkammer 1 durch ein senkrechtes Gaseinlaßrohr 2 axjal von oben eingeleitet, während das andere Gas 5 in die Mischkammer 1 durch ein tangentiales Gaseinlaßrohr 4 im oberen Umfangsbereich der zylindrischen Mischkammer 1 eingeleitet wird und eine Wirbeleintrittsströmung bewirkt. Das Gasgemisch 8 wird aus der Mischkammer 1 durch ein senkrechtes Gasauslaßrohr 7 abgezogen, das mit der Bodenöffnung-eines Trichterabschnitts in Verbindung steht, der fest mit der Unterseite der Mischkammer 1 verbunden ist.

Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Zyklon-Mischkammer sind die beiden Seiten einer zylindrischen Gasmischkammer 11 mit einem oberen Gaseinlaßrohr 12 und einem unteren Gaseinlaßrohr 14 verbunden, die parallel zueinander und in entgegengesetzter tangentialer Richtung angebracht sind, wobei der senkrechte Abstand zwischen den beiden Gaseinlaßrohren 12 und 14 zwischen dem 1,5- und 3,0fachen des Durchmessers des oberen Gaseinlaßrohres 12 liegt. Wenn das dichtere Gas 13 durch das obere Gaseinlaßrohr 12 in die Gasmischkammer 11 eingeleitet wird, sinkt es nach und nach unter einer Wirbelbewegung entlang der Innenwand der Gasmischkammer 11 ab. Andererseits führt das durch das untere Einlaßrohr 14 in die Gasmischkammer 11 eingelehete leichtere Gas eine derjenigen des dichteren Gases 13 entgegengesetzte Wirbelbewegung durch.

Die beiden waagerechten Gaseinlaßrohrc- 12 und 14 können jeden gewünschten Umfangswmkel zueinander einnehmen Diese Bedingung ist beispielsweise in Fig. 5 und 6 dargestellt. In diesem Falle sind die beiden waagerechten Gaseinlaßrohre 22 und 24 an derselben Seite der Gasmischkammer in entgegengesetzter tangential^-- Richtung angebracht, wobei sie in einem Umfangswinkel von 180° liegen. Sofern drei oder mehr Gasarten schnei! miteinander vermischt werden, wird das dichteste Gas durch das oberste Einlaßrohr in die Mischkammer eingeleitet, und die verbleibenden leichteren Gasarten können durch ein unteres Rohrsystem in die Mischkammer eingeleitet

45 werden, das eine Anzahl von Einzelrohren umfaßt, die mit der Mischkammer in derselben Höhe und derartig in tangentialer Richtung verbunden sind, daß die leichteren Gasarten eine entgegengesetzte Wirbelströmung gegenüber den absteigenden Gasarten durchführen.

Fig. 7 und 8 zeigen eine Gasmischkammer zum Mischen von fünf Gasarien. Das dichteste Gas wird durch das obere Gaseinlaßrohr 32 in die Mischkammer eingeleitet. Die vier anderen leichteren Gasarten werden in die Mischkammer durch untere Gaseinlaßrohre 34a, 34b, 34c und ZAd eingeleitet und geben den Gasen eine Drallrichtung entgegen dem durch das obere Gaseinlaßrohr 32 in die Wirbelkammer eingeleiteten Gas. Die vier leichteren Gasarten, die in die Mischkammer durch die unteren Einlaßrohre 34a, 34b, 34c und 34rf eingeleitet werden, bilden vorzugsweise eine Wirbelströmung mit einer mittleren Geschwindigkeit, die etwa das 1,15- bis 20,üfache derjenigen beträgt, mit der die dichteste Gasart durch das obere GaseinJaßrohr 32 mit entgegengesetzter Wirbelströmung eintritt.

Die Gasmischkammer gemäß Fig. 7 und 8 mit einer Anzahl von Gaseinlaßrohren ist nicht nur zum Mischen verschiedener Gasarten vorgesehen, sondern hat auch den Vorteil, daß sie eine schnelle Vermischung von zwei Gasarten erleichtert, die eine sehr unterschiedliche Dichte aufweisen. Dabei wird das leichtere Gas in die Mischkammer gleichmäßig durch eine Anzahl von unteren Gaseinlaßrohren eingeleitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet nicht nur eine rasche Vermischung von drei oder mehr Gasarten unabhängig von der Temperatur, sondern ebenfalls eine Durchführung von chemischen Reaktionen, die mit dem Mischen in einer Mischkammer selbst mit kleiner Kapazität einhergehen.

Nunmehr soll als Beispiel der Fall beschrieben werden, bei dem ein Reduktionsgas für den Betrieb in einem Hochofen durch Mischen eines Gichtgases mit einer Temperatur von 1250° C mit einem Kokereigas mit 700° C hergestellt wird.

Eine Vermischung beider Gasarten führt zu folgenden Reaktionen:

CH₄ -» 2H₂ + C
C + CO₂ -» 2CO

Bei einer Mischung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren reagieren beide Gasarten schnell miteinander, so daß der Gehalt an freiem Kohlenstoff gesenkt und derjenige an CO in dem erzeugten Gas erhöht wird. Eine unvollkommene Vermischung beider Gase würde dazu führen, daß nicht abgebaute CH₄- und CO₂-Anteile in der Gasmischung verblieben, die zu größeren Kohlenstoffverlusten im Hochofenbetrieb führen würden.

Die obigen beiden Gasarten werden in einer Zyklon-Gasmischkammer gemäß Fig. 5 und 6 gemischt. In diesem Falle wurde das dichtere Gichtgas in die Zyklon-Gasmischkammer durch das obere Gaseinlaßrohr 22 und das leichtere Kokereigas durch das untere Gaseinlaßrohr 24 eingeleitet. Das Gichtgas hatte eine Dichte, die das 2,75fache derjenigen des Ivokereigases betrag. Der Wert des Wirbelverhältnisses, d.h. das Verhältnis der Bewegungsgeschwindigkeit im Wirbel zur senkrechten Linearkomponente der Bewegung des eingeleiteten dichteren Gases betrug 1,8. Die unten angegebene Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung des Gasgemisches, das durch Vei -

wendung der Mischkammer entsteht, wenn das Verhältnis der Geschwindigkeit Vc, mit der das Kokereigas durch das untere Gaseinlaßrohr 24 eingeleitet wird, auf den Wert Vb geändert wird, mit dem das Gichtgas durch das Gaseinlaßrohr 22 eintritt.

Tabelle 1

Zusammensetzung des durch die Gasmischkammer gebildeten Gasgemisches (Volumprozent)

Verhältnis VcIVb

Bestandteil

1,0

1,2

1,5

2,0

CO₂

CO

CH.

12
28
26
21
13

31
39
21
10

39

37

21

Wie aus Tabelle 1 eindeutig hervorgeht, war die Mischung beim Wert VcIVb = 1,0 unzureichend, wobei eine große Menge CH₄ und CO₂ verblieb. Sofern der Wert größer als 1,2 war, hatte der CH₄- und CO₂-Anteil erheblich abgenommen. Wenn der Wert VcIVb 2,0 erreicht, erfolgt eine vollständige Mischung und Reaktion, so daß CH₄ und CO₂-Anteile im wesentlichen ausgeschaltet wurden.

Weiterhin wurden das Gichtgas und das Kokereigas in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemischt, indem das Wirbelverhältnis im Bereich von 0,8 bis 3,8 geändert wurde, während das Verhältnis Vc/Vbbe'\l,5 blieb. Die Bestandteile der entstehenden Gasgemische sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Zusammensetzung des durch die Mischkammer gebildeten Gasgemisches (Volumprozent)

Wert des Wirbelverhältnisses

Bestandteil

0,8 1,0 2,6 3,5 3,8

CO₂
CO

H₂
N₂
CH.

3	< 1	< 1	1	1
36	39	40	40	40
30	37	38	37	36
21	21	21	21	21
10	2	< 1	1	2

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, hatte sich bei einem Wirbelverhältnis von unter 1,0 der Anteil an CH₄ unc CO₂ im Gasgemisch erheblich erhöht. Wenn der Wer «5 des Wirbelverhältnisses im Bereich von 1,0 bis 3,5 liegt gibt es nahezu kein CH₄ oder CO₂, und wenn der Wer 3,5 übersteigt, nimmt der CH₄-Anteil eher wieder zu

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Mischen von Gasen, bei dem wenigstens zwei unterschiedliche Gasarten tangential sowie in entgegengesetzter Drallrichtung in einen rotationssymmetrischen Mischraum eintreten, aus dem die Gasmischung in Achsrichtung austritt, dadurch gekennzeichnet, daß bei vertikaler Anordnung der Mischraum achse und nach unten austretender Gasmischung das spezifische leichtere Gas mit axialem Abstand unterhalb des spezifischen schwereren Gases und mit höherer Geschwindigkeit als dieses in den Mischraum eintritt. *⁵

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein:rittsgeschwii<digkeit de-j leichteren Gases in den Mischraum das 1,15-bis 2üfache der Eintrittsgeschwindigkeit des schwereren Gases beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mischung von mehr als zwei Gasarten das jeweils schwerste Gas oben und die übrigen leichteren Gase in einer gemeinsamen Ebene mit axialem Abstand darunter und unter ^a5 sich in gleicher Drallrichtung in den Mischraum eintreten.

4. Mischvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung aus einer zylindrischen Mischkammer mit tangential in entgegengesetzter Drallrichtung einmündenden Gaseinlaürohren und einem axialen Auslarirohr für die Gasmischung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßrohre (12. 14; 22, 24; 32, 34a bis 34d) in die vertikal angeordnete Zyklon-Mischkammer (11, 31) in verschiedenen Höhen einmünden, wobei der senkrechte Abstand zwischen den Gaseinlaßrohren (12, 22, 32 bzw. 14, 24, Ua bis 34d) das 1,5- bis 3fache des Durchmessers des oberen Gaseinlaßrohres (12. 22, 32) beträgt.