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Vorrichtung zur Durchführung von Flammenreaktionen
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchftihnung
von Flammenreaktionen, bei denen zwei gasförmige Reaktionspartner exotherm unter
Flammenbildung miteinander reagieren.
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Die Durchführung von Flammenreaktionen mit vorgemischten Gasen in
den bisher bekannten Brennkammern ist abhängig von der lammengeschwindigkeit, der
Strömungsgeschwindigkeit sowie des trömungszustandes (laminar/turbulent) des in
die Brennkammer intretenden Gasgemisches. Tritt das Gasgemisch mit hoher Geschwindigkeit
aus einem Brenner mit kleiner Öffnung in die Brennkammer, so brennt die Flamme in
der Regel feinballig turbulernt; tritt es mit relativ kleiner Oeschwindigkeit aus
einem renner mit großer Öffnung, so brennt die Flamme meist grobballig turbulent.
In beiden Fällen werden dem Brenngas schon abgekühlte Verbrennungsgase zugemischt,
wodurch die je Brenngasvolumeneinheit freiwerdende Verbrennungswärme und somit die
Flammentemperatur in unerwünshcter Weise erniedrigt wird.
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Weiterhin haben die bekannten Brennkammern mit gleichbleibenden oder
sich kontinuierlich ändernden Querschnitten den Nachteil, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des Gasgemisches nur innerhalb kleiner Grenzen variiert werden kann@ Wenn sie zu
gering wird,
besteht die Gefahr des ZurJckschlagens der Flamme,
gegebnnenfalls durch den Brennerkanal hindurch bis in den Mischbohälter, wo es zu
ungewollten Explosionen kommen kann. Wird dagegen die Strömungsgeschwindigkeit zu
stark, dann hebt die Flamme vom Brennermund ab und verlischt.
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Besonders bei exothermen Flammenreaktionen mit aggresiven Gasen, die
man bevorzugt nur in Quarzglas-Brennkammern ablaufen läßt, sind große und turbulente
Flammen schon wegen der aufwendigen Herstellung entsprechend große Brennkammern
unerwUnscht. Dies gilt besonders für die Reaktion von gasförmigem Brom mit Wasserstoff
unter Bildung von Bromwasserstoff.
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Das grobballig turbulente oder großflächige Abbrennen der Flamme hat
bei Reaktionen mit geringer Exothermie weiterhin noch den Nachteil, daß die freiwerdende
Reaktionswärme für eine vollzusätzlich geheizt werden.
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Zur Vermeidung der genannten Nachteile wurde nun eine Brennkammer
gefunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie röhrenförmig ausgebildet ist und
ihr Querschnitt, vom Brennkammerkanalmund aus gesehen, stufenförmig sich vergrößert.
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In einem solchen Brennerraum, in dem der Querschnitt zwei- oder mehrstufig
eich vergrößert, treten die oben genannten Nachteile nicht, oder nur in untergeordnetem
Maße auf: Die Reaktionen, bzw.
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die Flamme, füllt nur ein kleines Teilyolumen der Brennkammer aus,
und die im Bereich der Flamme sich befindlichen Verbrennungsgase
vermischen
sich nicht init schon abgek:lhlten Verbrennungsgasen.
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Die Flamme brennt laminar ab. Ferner ist eine weitgehende Variation
der Strömungsgeschwindigkeit des Mischgases möglich, ohne daß die Flammenfront eine
unstetige Fläche bildet oder der aus dem Brennkammerkanal austretende Mischgasstrahl
vor Ablauf der Reaktion Verbrennungsgase ansaugen kann und damit die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit
erniedrigt. Letzteres wird dadurch erreicht, daß bei einer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit
die Flamme sich gemäß der Abhebegeschwindigkeit in dem Rohr mit dem nächst größeren
Querschnitt stabilisieren kann. Umgekehrt ist auch eine Stabilisierung der Flamme
bei einer Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit in dem Rohr mit dem nachst kleineren
Querschnitt möglich.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Brennkammer besteht darin, den
Übergangsstellen auf den Jeweilig größeren Querschnitt ie Rohre mit dcn kleineren
Querschnitten mit einem rohrförmigen satzstück vorzugsweise gleichen Querschnitts
in die Rohre mit en größeren Querschnitten derart hereinragen zu lassen, daß beim
uebergang auf den Brennkammerteil mit dem größeren Querschnitt eine Kante oder ein
Mundstück vorhanden ist, an dem sich die Flamme stabilisiert. Die Ansatzstücke können
auch soweit in die weiteren Reaktorrohre hineinragen, daß sie etwa 10 % der Länge
dieser Reaktorteile annehmen.
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Die beigefügte Figur zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Brennkammer. In dieser Figur ist 1 der Brennkammerkanal, 2 die verschiedenen Brennkammerabschnitte
mit jeils stufenförmig sich ändernden Querschnitten, 3 die ein Mundstück
bildenden
in die größeren Rohrabschnitte hineinragenden AnsatzstUcke der jeweils vorangegangenen
Reaktorabschnitte mit kleinerem Querschnitt, 4 die Reaktionsflamme und 5 der Brnnerkanalmund.
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Die Querschnitte der einzelnen Brennkaintr.erteile richten sich nach
der Menge der pro Zeiteinheit reagierenden Gase, bevorzugt sind sie kreisförmig.
Die Differenz der Querschnitte sollte etwa mindestens den absoluten Betrag des Querschnittes
des dem Brennkammerkanal nächsten Rohr ausmachen; Jedoch sind auch kleinere oder
größere Differenzen möglich. Die Anzahl der Stufen richtet sich nach der Art der
miteinander reagierenden Gase und der Menge des durchzusetzenden Gasgemisches.
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Die Länge der einzelnen Rohrteile kann auch weitgehend variiert erden,
te nachdem, wieviel Stufen vorhanden sind und wie groß di Querschnittsdifferenzen
zwischen den einzelnen Stufen sind. Im allgemeinen soll ein einzelnes Rohrteil etwa
1,5 bis 4 mal so ang sein wie der Durchmesser des entsprechenden Rohres.
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Die erfindungsgemäße Brennkammerform erlaubt ein einfaches Anfahren
des Brenners. Es braucht nur die Stufe des Brenners aufgeheizt zu werden, in der
bei angepaßtem geringen Gasdurchsatz die Flamme gezündet würde. Dies ist im allgemeinen
die Stufe, ie sich direkt an den Brennkammerkanal anschließt. Der dort für ie Verbrennung
nötige Gasdurchsatz kann rechnErisch ermittelt der in einem Vorversuch experimentell
bestimmt werden. Eine Aufbeizung der gesamten Brennkammer auf die Aufheiztemperatur
ist nicht nötig. Die Aufheizung der Kammer erfolgt entsprechend einer
eventuell
durchgeführten Durchsatzsteigerung mittels Erhöhung der StrUmungsgeschwindigkeit
des Reaktionsgemisches durch die bei der Reaktion freiwerdenden Wärme.
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Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkammerform die Einhaltung
einer laminaren Flamme bei stark unterschiedlichen Durchsätzen. Der Abbrand erfolgt
wandfern, so daß die Brennkammerwände sich nicht auf die Temperaturen der Flamme
aufheizen.
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Dies wirkt sich besonders günstig bei Verwendung von Quarz- oder Borsilikatgläsern
aus.
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Die erfindungsgemäße Brennkammer eignet sich besonders gut zur erstellung
von Bromamsserstoff aus den Elementen. Dazu verwendet man beispielsweise eine Brennkammer,
deren einzelnen Rohrabschnitte, vom Brennkammerkanal aus gesehen, einen Durchmesser
von 5, 10 und 20 - besitzen und die entsprechend der beigefügten Figur ineinanderragen.
Die länge der einzelnen Rohre ist gleich dem Zweifachen des 3eweiligen Rohrdurchmessers.
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In dieser Brennkammer aus Quarzglas wurde ein Gemisch aus Wasserstoff
und Brom eingeleitet, das durch Durchleiten von Wasserstoff durch eine auf 40 °C
temperierte Bromvorlage erhalten und anschließend vor seinem Eintritt in die Brennkammer
Uber den Brennammerkanal auf 50 0C vorgewärmt wurde. Die Strömungsgeschwindigkeit
lag bei etwa 1,5 m/sec. Bei dieser Geschwindigkeit konnte das Gemisch am MundstUck
des 10 mm-Rohres durch äußere Beheizung des RohrstUckes gezündet werden. Eine weitere
äußere Beheizung war nicht notwendig.
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Der bei der Verbrennung entstehende Bromwasserstoff wurde zur Abkühlung
durch ein mit Tonscherben gefülltes Rohr und anschließend in einer Wasservorlage
zur Absorbtion geleitet.
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Nach dem Zünden der Flamme wurde die Strömungsgeschwindigkeit variiert.
Bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,6 m/sec trat Rückschlag auf das Mundstück des
5 mm-Rohres ein, während bis zu einer Geschwindigkeit von 2,3 m/sec kein Abheben
von dem Mundstück des 10 mm-Rohres eintrat. In allen FEllen war der Umsatz an Brom
quantitativ; das Bromwasserstoff-Auffanggefäß zeigte keine Braunfärbung.
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Die Flammentemperatur lag zwischen 800 und 870 0C, selbst wenn ein
stöchiometrischer Überschuß an Wasserstoff in dem Gemisch vorhanden war. Die Wandtemperatur
lag zwischen 320 und 400 °C.
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In vollkommen analoger Weise lassen sich bei Verwendung von Brennkammerrohren
mit einem Durchmesser zwischen 10 und 40 mm zwischen 100 und 5000 l/h Bromwasserstoff
herstellen. Eine solche Variationsbreite ist besonders dann von Vorteil, wenn der
erzeugte Bromwasserstoff sofort weiterverarbeitet wird, wie z.B.
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zur Herstellung von 3-Bromphthalid aus 3-Chlorphthalid. Der gemäß
dem vorliegenden Verfahren hergestellte Bromwasserstoff ann filr eine solche Reaktion
direkt eingesetzt werden, da bei optimaler Einstellung sein H2-Uberschuß kleiner
als 5 Vol.-% ist d der Bromgehalt des Bromwasserstoffs unter 0,1 Gew.-% liegt.
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iese Bedingungen mUssen bei einem groß technischen Einsatz von Bromwasserstoff,
wie es die oben genannte Bromierung von 3-Chlorphthalid darstellt, mindestens eingehalten
werden.
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L e e r s e i t e