DE3037817C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasmischvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Gasphasenreaktionen ist es oft erforderlich, zwei Gase miteinander zu mischen. Ein Beispiel einer solchen Reaktion ist eine Gasphasenoxidation mit Vermischung eines eine organische Verbindung umfassenden Gases und eines molekularen Sauerstoffs umfassenden Gases (auch reiner molekularer Sauerstoff).

Bei der Mischung eines eine zu oxidierende organische Verbindung enthaltenden Gases und eines molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases, muß man sehr genau den Entzündungsbereich des Gemisches der organischen Verbindung mit molekularem Sauerstoff beachten. Unter Sicherheits­ gesichtspunkten muß man das Mischungsverhältnis der Gase so steuern oder regeln, daß die Zusammensetzung des in den Oxidationsreaktionsbereich eingespeisten Gasgemisches außerhalb des Entzündungsbereichs liegt. Jedoch läßt sich die lokale und zeitweilige Bildung einer Zusammensetzung innerhalb des Entzündungsbereichs beim Mischen der beiden Gase nicht ausschalten.

Deshalb ist es wichtig, die beiden Gase innerhalb der Mischstufe möglichst schnell und vollständig zu vermischen, um dadurch das Volumen des Gasgemisches, dessen lokale Zusammensetzung innerhalb des Entzündungsbereichs liegt, herabzusetzen.

Der Stand der Technik sieht zur möglichst schnellen Erzielung eines vollständigen Mischungszustandes eine mehrfache Unterteilung des einen Gasstromes und die Zufuhr des unterteilten Gasstromes in feiner Verteilung in das andere Gas vor, vergleiche JA-OS 4362/1971 und 16 381/1972.

In jedem Fall werden die beiden Gase innerhalb eines Rohrraumes miteinander gemischt. Das Verhältnis der Rohrlänge (L) zum Innendurchmesser des Rohres (D), also das Verhältnis (L/D), muß 5 bis 10 oder mehr betragen, damit man ein vollständig homogenes Gasgemisch erhält.

In technischen Anlagen werden sehr große Gasmengen behandelt (einige Tausend bis einige Zehntausend m³). Die Druckverluste innerhalb der Rohrleitung sind aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig. Infolgedessen wird der Innendurchmesser des Rohrsystems normalerweise zwischen 30 und 50 cm gewählt. Der Abstand zur Erzielung eines vollständig homogenen Gasgemisches beträgt etwa 1,5 bis 5,0 m, gemessen von der Stelle, an der die beiden Gase ineinander eintreten. Infolgedessen treten lokale Stellen von Gaszusammensetzungen innerhalb des Entzündungsbereichs auch noch in diesem Abstand zwischen 1,5 und 5,0 m auf. Dieses ist sehr gefährlich.

Die US-PS 39 11 804 beschreibt eine Gasmischvorrichtung der eingangs genannten Art für Klimatisierungsgeräte. In jedem Rohr sind Durchtrittsöffnungen für das zweite Gas vorgesehen, aber diese Öffnungen befinden sich nicht ausschließlich am Rohrende und sind auch nicht ausschließlich als kleine Löcher ausgebildet. Es ist dort sogar ein sich über eine wesentliche Länge des Rohres erstreckender Schlitz vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen möglichst großen Anteil der Rohrlänge für die Mischung bereitzuhalten. Die Erfindung soll eine sichere und schnelle homogene Vermischung von zwei Gasen gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik, als die Gasmischvorrichtung nach Art eines Mantel-Rohr-Wärmeaustauschers aufgebaut ist, bei dem die beiden Gase innerhalb der Rohre wirkungsvoll miteinander gemischt werden. Das zweite Gas strömt jeweils durch ein kleines Loch der jeweiligen Rohrwandung in die Rohre ein, so daß dadurch die Mischung innerhalb einer Vielzahl von Rohren mit vergleichsweise kleinen Durchmessern erfolgt.

Eine Vielzahl von Rohren, oftmals einige zehn oder einige hundert Rohre, ergeben einen sicheren Mischbereich mit einem ausreichenden Volumen und sind innerhalb eines Bündels nach Art eines Mantel- Rohr-Wärmeaustauschers angeordnet. Es hat sich gezeigt, daß der Druckverlust innerhalb der Anordnung vergleichsweise klein ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Gasmischvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3a, 3b, 3c jeweils Querschnitt in Ebenen senkrecht zur Rohrachse,

Fig. 4 einen achssenkrechten Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform entsprechend Fig. 1,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch ein Mischrohr und

Fig. 6 eine grafische Darstellung, die die Werte der Tabelle 1 in Kurvenform zeigt.

1. Theoretische Überlegungen

Es ist bekannt, daß bei Durchtritt eines Gases durch ein Rohr der Vermischungsgrad von dem Wert L/D (Rohrlänge/Rohrinnendurchmesser) abhängt, wenn der Durchfluß durch das Rohr im Bereich der Turbulenz liegt, wenn also die Reynoldszahl (Rohrinnendurchmesser×Gasdurchfluß× Gasdichte/Gasviskosität) 10 000 oder mehr beträgt.

Aufgrund dieser Tatsache führt die Gasmischung in einem Rohr mit kleinerem Durchmesser auf einer kürzeren Rohrlänge zu einem gleichen Vermischungsgrad wie die Vermischung in einem Rohr mit größerem Durchmesser. Die Vermischung in einem Rohr mit kleinem Durchmesser erfolgt infolgedessen schneller als die Vermischung in einem Rohr mit größerem Durchmesser, so daß die Zeit oder der Bereich, in dem eine Zusammensetzung innerhalb des genannten Entzündungsbereichs lokal auftreten kann, verkürzt oder herabgesetzt werden kann.

Es ist auch bekannt, daß der Entzündungsbereich eines Systems einer organischen Verbindung und von molekularem Sauerstoff in einem Rohr mit kleinerem Durchmesser enger als in einem Rohr mit größerem Durchmesser ist. Dieses beruht vermutlich auf der Erhöhung der wirksamen Flächenbereiche der Rohrwandungen, die zur Unterdrückung einer Verbrennungsreaktion beitragen.

Im Hinblick auf diese Tatsache verringert sich die Möglichkeit des Vorhandenseins von lokalen Gemischen gefährlicher Zusammensetzung in dem Maße wie der Entzündungsbereich herabgesetzt wird, wenn eine organische Verbindung und molekularer Sauerstoff in einem Rohr mit kleinerem Durchmesser vermischt werden. Infolgedessen ist die Sicherheit des Mischungsvorgangs im Vergleich zu der Vermischung in einem Rohr mit größerem Durchmesser erhöht.

2. Strukturen der Gasmischvorrichtung

Die Gasmischvorrichtung nach der Erfindung hat eine Struktur ähnlich derjenigen eines Mantel-Rohr-Wärmeaustauschers. Es ist jedoch ein grundsätzlicher Unterschied zwischen beiden Arten von Strukturen. Denn in einem jeden Rohr des Rohrbündels nach der Erfindung befindet sich ein kleines Loch, in das Gas eintritt.

Nach den Fig. 1 und 2 sind innerhalb eines Gehäuses 3 eine Mehrzahl von Rohren 1 durch Rohrplatten 2, 2 a getragen. Dadurch ist eine Kammer 4 im Außenraum der Rohre 1 gebildet, die innerhalb des Gehäuses 3 im wesentlichen durch die Rohrplatten 2, 2 a von den Räumen innerhalb der Rohre abgetrennt ist. Das Gehäuses 3 hat normalerweise Ansatzbereiche 3 a und 3 b.

Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ansatzbereiche 3 a und 3 b durch Stirnplatten 5 und 5 a abgeschlossen. Man kann jedoch auch den Außendurchmesser des Mantels 3 gleich demjenigen der Gasleitung machen, so daß die Ansatzbereiche 3 a, 3 b Teile der Gasleitung bilden.

In jedem Rohr 1 ist ein kleines Loch 6 vorgesehen. Man kann auch eine Mehrzahl von Löchern in jedem Rohr in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung anordnen. Größe und Querschnitt der Löcher sowie die Anzahl derselben können im Hinblick auf eine homogene Gasvermischung innerhalb einer möglichst kurzen Zeitdauer festgelegt werden. Die Maximalzahl der Löcher kann z. B. in einem Rohr aus einem Filter- oder Abschirmmaterial vorhanden sein. Die Anzahl der kleinen Löcher beträgt normalerweise eins bis mehrere. Damit man eine homogene Vermischung innerhalb eines Rohres begrenzter Länge erhält, müssen die kleinen Löcher innerhalb der Rohre möglichst weit auf der Einströmseite des Gases in die Rohre liegen.

Innendurchmesser, Rohrlänge, Anzahl und ähnliche Kenngrößen eines jeden Rohres des Rohrbündels werden vorzugsweise so festgelegt, daß das Gas in turbulenter Strömung durch die Rohre fließt, daß also die Reynoldszahl 10 000 oder mehr beträgt.

Der Innendurchmesser jedes Rohres des Rohrbündels oder der äquivalente Durchmesser definiert als 4× (Querschnittsfläche des abgeteilten Raumes/Umfangslänge der Querschnittsfläche) beträgt vorzugsweise 5 cm oder weniger, ganz besonders bevorzugt 1 bis 3 cm.

Andererseits ist die Rohrlänge vorzugsweise so ausgewählt, daß das Verhältnis L/D (Rohrlänge/Innendurchmesser) 3 oder mehr beträgt. Normalerweise wird die Rohrlänge so ausgewählt, daß das Verhältnis L/D etwa 10 bis etwa 15 beträgt. Unter Rohrlänge ist hier der Abstand zwischen der Lage des am weitesten in Einströmrichtung gelegenen kleinen Loches und dem Rohrende an der Austrittsseite verstanden. Wenn eine Mehrzahl von Löchern innerhalb des Rohres vorgesehen ist, wird die Rohrlänge von dem am weitesten in Abströmrichtung gelegenen Loch gemessen.

Die Anzahl der Rohre innerhalb des Rohrbündels liegt zwischen 15 und 1000.

3. Mischung der Gase

Innerhalb der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 wird das erste der miteinander zu mischenden Gase durch einen Einlaß 7 in die Vorrichtung eingeleitet und strömt in Pfeilrichtung durch das Gehäuse und dann durch die Rohre. Schließlich tritt dieses Gas durch einen Auslaß 8 aus. Das zweite Gas wird durch einen Einlaß 9 in die Kammer 4 innerhalb des Gehäuses eingeleitet, die von den Rohrinnenräumen durch die Rohrplatte 2 und 2 a sowie die Rohrwandungen abgetrennt ist. Dieses Gas strömt durch kleine Löcher 6 in die Rohre und wird dann mit dem ersten durch die Rohre strömenden Gas vermischt, so daß das Gemisch durch den Auslaß 8 austritt.

Das erste Gas und/oder das zweite Gas können ein Einkomponentengas oder auch ein Gasgemisch sein. Wenn z. B. das erste Gas molekularen Sauerstoff umfaßt, kann normalerweise Luft, also ein Gemisch von molekularem Sauerstoff und Stickstoff oder ein Gemisch von Luft und einem Verdünnungsgas, wie Dampf oder Kohlendioxid, eingeleitet werden. Wenn das zweite Gas ein Gas umfassend eine organische Verbindung ist, kann dieses Gas ein Gemisch sein, das ein Verdünnungsgas enthält.

Die Gasmischvorrichtung ist im allgemeinen für zwei Gase ausgelegt, die eine entzündungsfähige Phase bilden können. Die Gasmischvorrichtung kann auch zur Beimischung eines dritten Gases verwendet werden, das keine Entzündungsschwierigkeiten im Hinblick auf das erste und das zweite Gas mit sich bringt. Ein drittes Gas, z. B. ein Verdünnungsgas, kann durch einen Einlaß 7 a eingeleitet werden, um dadurch eine Vermischung dieser drei Gase zu bewirken. Da die Gasmischvorrichtung eine sehr schnelle Vermischung bewirkt, können Fälle auftreten, in denen das erste und das zweite Gas kein Gemisch innerhalb des Entzündungsbereichs bilden. Auch solche Fälle liegen selbstverständlich im Rahmen der Erfindung.

Wenn die miteinander zu vermischenden Gase ein molekularen Sauerstoff enthaltendes Gas und ein eine organische Verbindung enthaltendes Gas entsprechend den obengenannten Beispielen umfassen, kann aus dem Verhältnis der Gasmengen, den Entzündungsbereichen und anderen Kenngrößen bestimmt werden, welches Gas durch die Rohre geleitet und welches Gas in die Kammer zugeführt wird.

4. Einzelbeispiele der Gasmischvorrichtung

Ein Einzelbeispiel der Gasmischvorrichtung nach der Erfindung umfaßt leere oder nichtgepackte Rohre, die das Rohrbündel nach den Fig. 1 und 2 bilden.

Andere Beispiele der Erfindung umfassen gepackte Rohre, die das Rohrbündel bilden. Feststoffpackungen für die Rohre können Kugelkörper, Sattelkörper, Ringe, Filterkörper, massive Stangenkörper, Hohlstangen oder andere Formkörper sein. In diesem Zusammenhang versteht man unter einer Feststoffpackung außer üblichen Packungen auch Prallplatten an den Rohrwandungen. Die Verwendung von gepackten Rohren führt zu einer noch schnelleren Vermischung der Gase und erhöht die wirksamen Flächen der Rohrwandungen, die zur Unterdrückung von explosiven Entzündungsreaktionen ausgenutzt werden.

Ein weiteres Beispiel der Erfindung umfaßt Rohre, bei denen jedes Rohr durch eine axiale Trennwand in eine Mehrzahl von Längskammern unterteilt ist. Dabei ist in jeder Rohrwandung einer Längskammer ein Loch vorgesehen, damit die Längskammern jeweils durch die Löcher mit der Kammer 4 in Verbindung stehen. Fig. 3a, 3b und 3c zeigen Querschnitte durch drei Einzelbeispiele solcher Rohre. Dabei sind die Rohre durch Längswände 10, 10 a und 10 b in zwei bis vier Längskammern unterteilt. Diese Unterteilung der Rohre durch Trennwände ist dann wirksam, wenn der Innendurchmesser der Rohre nicht genügend klein gemacht werden kann oder wenn die Wirkung eines engen Rohres zusätzlich erforderlich ist.

Auch die Kammer 4 kann abgewandelt werden. Fig. 4 zeigt Beispiele einer Gasmischvorrichtung im Querschnitt. Danach ist die Kammer 4 innerhalb des Gehäuses durch axiale Trennwände 11 und 11 a in eine Mehrzahl von Längskammern, nämlich vier Längskammern 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, unterteilt und Gaseinlässe 9 sind für jede der Längskammern, nämlich Einlässe 9 a, 9 b, 9 c, 9 d, vorgesehen. Diese Unterteilung der Kammer 4 innerhalb des Gehäuses ist wirksam, um dadurch einen Kanaleffekt zu unterdrücken und eine gleichförmige Gasverteilung zu gewährleisten.

Die beschriebenen Abwandlungen können selbstverständlich auch kombiniert miteinander zur Anwendung kommen.

5. Versuche Beispiel

Ein Gasmischversuch wird unter Benutzung einer Gasmischvorrichtung einer Mantel-Rohr-Wärmeaustauscherstruktur bis 37 Rohren kleinen Durchmessers durchgeführt. Jedes Rohr hat einen Innendurchmesser von 10 mm und eine Länge von 400 mm und jeweils ein kleines Loch von 2 mm Durchmesser an einer Stelle 50 mm vom Einströmende des jeweiligen Rohres. Der Innendurchmesser des Gehäuses beträgt 146 mm.

Luft wird als erstes und zweites Gas benutzt. Ein kleiner Anteil (3 Volumenprozent) eines Fühlgases (CH₄) werden dem zweiten Gas zur Bestimmung der Mischwirkung beigegeben.

Die Durchflußgeschwindigkeit des ersten Gases durch die kleinen Rohre beträgt 35 m/sec, wogegen die Durchflußgeschwindigkeit des in die kleinen Löcher einströmenden zweiten Gases 75 m/sec beträgt. Die Gastemperatur beträgt 35°C. Die Gasmischung wird in allen kleinen Rohren an einer Stelle gemessen, die 370 mm vom Einströmende des Rohres entfernt liegt, also 320 mm von dem jeweiligen kleinen Loch entfernt.

Es ergeben sich keine Unterschiede in der Konzentrationsverteilung und der mittleren Konzentration des Fühlgases innerhalb der kleinen Rohre in Abhängigkeit von der Lage dieser Rohre, nämlich einem Rohr im Zentrum des Gehäuses und einem Rohr in der Nähe der Gehäusewandung.

Die Proben des Gemischgases werden an fünf Meßstellen, nämlich dem Zentrum des Rohres und im Abstand davon entnommen. Die Konzentration des Fühlgases wird jeweils bestimmt. Danach liegt die relative Konzentrationsdifferenz eines jeden Meßpunktes innerhalb ±2%, bezogen auf die mittlere Konzentration (0,24 Volumenprozent) in allen kleinen Rohren. Ein Beispiel der Messung ist in Tabelle 1 angegeben und in Fig. 6 (Kurve 14) dargestellt. Das Fühlgas wird gaschromatografisch bestimmt.

In Tabelle 1 und Fig. 6 gibt R den Innenradius des jeweiligen kleinen Rohres an und r den Abstand der Entnahmestelle vom Zentrum des kleinen Rohres.

Mittlere Konzentration des Fühlgases bedeutet eine mittlere Flächenkonzentration.

Vergleichsversuch

Eine Gasmischvorrichtung der Düsenbauart wird durch Einbau einer Gaszufuhrdüse von 68 mm Innendurchmesser für das zweite Gas in ein Stahlrohr von 305 mm Innendurchmesser gemäß Fig. 5 aufgebaut.

Luft wird als erstes Gas benutzt und mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 35 m/sec von links nach rechts, bezogen auf Fig. 5, eingeleitet. Das zweite Gas, das durch Zusatz von 3 Volumenprozent CH₄-Fühlgas in Luft hergestellt ist, wird aus der Zufuhrdüse mit einer Geschwindikgkeit von 75 m/sec an der Düsenspitze in Richtung entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des ersten Gases eingeleitet. Die Temperatur des ersten und zweiten Gases betragen 35°C. In gleicher Weise wie in dem obigen Beispiel werden Proben des Gasgemisches an einer Stelle in einem Abstand von 320 mm in Strömungsrichtung von der Spitze der Einleitungsdüse entnommen. Die Konzentrationen des Fühlgases werden bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben und in Fig. 6 (Kurve 15) eingezeichnet, wo R den Innenradius des Stahlrohres angibt. Die mittlere Konzentration des Fühlgases beträgt 0,29 Volumenprozent. Wenn das Verhältnis L/D etwa 1 beträgt und ein Vermischungsabstand von 320 mm, ebensol wie im Beispiel, gewählt ist, ist im wesentlichen keine Gasvermischung meßbar.

Tabelle

Claims (4)

1. Gasmischvorrichtung, mit einem Gehäuse, mit einem Bündel von in axialer Richtung verlaufenden Rohren in dem Gehäuse, wobei die Rohrlänge mindestens das 3-fache des Durchmessers der Rohre ist und wobei jedes Rohr in seiner Wandung mindestens eine Durchtrittsöffnung aufweist, mit zwei Trennelementen in dem Gehäuse, die jeweils im Bereich der Enden der Rohre quer zur Achsrichtung angeordnet sind und die zusammen mit der Innenwand des Gehäuses und den Außenwänden der Rohre eine Kammer bilden, mit einer ersten Zuleitung für das erste Gas in das Innere der Rohre, wobei das Gas an dem ersten Ende der Rohre in die Rohre eintritt und an ihrem zweiten Ende austritt, und mit einer zweiten Zuleitung für das zweite Gas in die Kammer, das durch die Durchtrittsöffnung der Rohre in diese eintritt und dort mit dem ersten Gas vermischt wird, wobei die Mischung aus dem zweiten Ende der Rohre austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung als kleines Loch ausgebildet ist, das in dem Bereich des ersten Endes der Rohre angeordnet ist und daß der äquivalente Durchmesser jedes Rohres kleiner als 5 cm ist.

2. Gasmischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) des Bündels leere Rohre oder mit einer Feststoffpackung gefüllte Rohre sind.

3. Gasmischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr (1) durch in axialer Richtung verlaufende Trennwände (10) in eine Mehrzahl von inneren Längskammern unterteilt ist und daß jede Längskammer in der Rohrwandung jeweils ein kleines Loch (6) aufweist.

4. Gasmischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Gehäuses (3) durch die Trennelemente (2, 2 a) abgeteilte Kammer durch mindestens eine in axialer Richtung sich erstreckende Teilwand (11, 11 a) in mehrere äußere Längskammern unterteilt ist und daß die Gaszufuhrvorrichtung zur Einspeisung des zweiten Gases in die Kammer innerhalb des Gehäuses an jede dieser Längskammern angeschlossen ist.