DE3724344A1 - Mischduese zum vermischen zweier gasstroeme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischdüse zum Vermischen zweier Gasströme, bestehend aus Mantelrohr (1), Innenrohr (2) und Leitkörper (3).

In vielen technischen Verfahren sind zwei Gasströme innerhalb kurzer Zeit innig miteinander zu vermischen. Dieses ist vor allem bei Syste­ men erforderlich, bei denen die in den Strömen enthaltenen gasförmigen Komponenten unter definierten Verhältnissen miteinander reagieren sollen, insbesondere hinsichtlich des Reaktionsorts und ihrer Konzen­ tration im Gemisch, d. h. lokale Konzentrationsunterschiede dürfen möglichst nicht auftreten. Damit soll ein vorzeitiges Anspringen und unter Umständen explosionsartiges Verlaufen der Reaktion vermieden, und darüber hinaus sollen Neben- und Folgereaktionen zu unerwünschten Nebenprodukten unterdrückt werden.

Es ist bekannt, Gasströme in einem Rohr zusammenzuführen und die Ver­ mischung mit zum Teil mehrfach hintereinander angeordneten Mischele­ menten zu beschleunigen. Zum Beispiel werden in der DE-PS 25 25 020 sich kreuzende, mit Durchtrittsöffnungen versehene Leitflächen und in der DE-AS 23 28 795 sich kreuzende Platten in Form von Kämmen als Mischelemente beschrieben. Eine andere Mischeinrichtung besteht gemäß DE-AS 22 05 371 aus geriffelten Platten, die in mehreren Lagen so übereinander angeordnet sind, daß sich die Strömungskanäle zweier be­ nachbarter Lagen kreuzen und im Bereich der Kreuzungsstellen Öffnungen aufweisen. Bei diesen statischen Mischern erstreckt sich der Mischvor­ gang über eine relativ große Rohrlänge, bis sich eine einheitliche Konzentration der einzelnen Komponenten eingestellt hat.

Auch die Aufteilung des einen Gasstromes auf mehrere über den Strö­ mungsquerschnitt des anderen Stromes verteilte Austrittsöffnungen gemäß DE-PS 21 15 978 kann nicht verhindern, daß innerhalb einer re­ lativ langen Zone lokale Konzentrationsunterschiede der beiden Gase auftreten.

Andere bekannte Mischeinrichtungen arbeiten entsprechend DE-AS 24 38 392, EP-A 01 89 856, DE-PS 29 07 694, DE-AS 22 56 814 und DE-AS 22 62 739 mit Strömungsumlenkungen der Art, daß die zu mischenden Ströme gegeneinander oder quer zueinander strömen, wobei gemäß einiger Schriften zusätzlich eine Aufteilung in mehrere Teilströme herbeige­ führt wird. Bei diesen Vorrichtungen erfolgt die Mischung in relativ weiträumigen Bereichen mit entsprechenden Konzentrationsunterschie­ den.

Das Prinzip der Mischung von Gasen über Ausströmung aus konzentrisch angeordneten Düsen wird gemäß EP-A 01 49 574 angewandt. Die Mischung erstreckt sich auch hier über eine längere Zone.

In DE-PS 28 23 604 und DE-OS 26 57 791 sind zwei Mischdüsen beschrie­ ben, bei denen der Ringspalt zwischen Mantel- und Innenrohr durch axiale Verstellung des Innenrohres wechselnden Mengenströmen angepaßt werden kann, so daß immer eine ausreichend große Ausströmungsgeschwin­ digkeit aus besagtem Ringspalt erzielt wird.

Die Düse gemäß DE-OS 26 57 791 ist entsprechend den beschriebenen An­ wendungsmöglichkeiten so konzipiert, daß man einen möglichst weitrei­ chenden Flüssigkeitsstrahl erzeugen kann.

Gemäß DE-PS 22 26 745 wird bei einem Ejektor der Ringspalt zwischen Innendüse und einem Stopfen durch axiale Verstellung des Stopfens verändert, während der Ringspalt zwischen innerer Düse und der diese konzentrisch umgebenden äußeren Düse konstant bleibt. Hier stand im Vordergrund, den Druckabfall des Ejektors zu minimieren.

Bei allen oben angeführten Mischdüsen ist keine optimale Mischung beider Gasströme möglich, da jeweils nur bei einem Strang der Ring­ spalt, d. h. entweder der Ringspalt zwischen Innen- und Mantelrohr oder der zwischen Leitkörper und Innenrohr, den variierenden Mengen­ strömen angepaßt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mischdüse zum Vermischen zweier Gasströme zu entwickeln, die auch bei wechselnden, unterschiedlichen Mengenströmen eine schnelle, optimale Vermischung gewährleistet, so daß nach einer möglichst kurzen Mischstrecke keine lokalen Konzentrationsunterschiede der beiden gasförmigen Komponenten mehr vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Mischdüse, bestehend aus Mantelrohr (1), Innenrohr (2) und Leitkörper (3)

• - der Ringspalt (4) zwischen Mantel- und Innenrohr sowie
• - der Ringspalt (5) zwischen Innenrohr und Leitkörper durch axiale Verschiebung des Innenrohres verstellbar ist.

Eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Mischdüse ist in Fig. 1 dargestellt, wobei die Ausführung der Mischdüse nicht hierauf be­ schränkt ist:

Die Mischdüse besteht aus Mantelrohr (1), Innenrohr (2) und Leitkörper (3), die koaxial zueinander angeordnet sind. Das Innenrohr verjüngt sich an seinem Austrittsende, und der Innendurchmesser des Außenrohres an dessen engster Stelle ist kleiner als der Außendurchmesser des Innenrohres in dessen zylindrischem Teil.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Innenrohres verjüngt sich dasselbe konisch an seinem Austrittsende.

Es ist zweckmäßig, auch das Mantelrohr zwischen dessen zylindrischem Teil und der engsten Stelle bevorzugt konisch zu verjüngen, wobei der Kegelstumpf des Mantelrohres stumpfer ist als der Kegelstumpf des Innenrohres.

Beim Mantelrohr (1) kann sich an die Verjüngung noch eine konische Erweiterung anschließen. Die Mischdüse ist in "Auf"-Stellung des Innenrohres (2) dargestellt. In "Zu"-Stellung des Innenrohres (2) ist das Mantelrohr (1) durch das Innenrohr (2) und dasselbe wiederum durch den Leitkörper (3) verschlossen. Die unterbrochenen Linien zeigen das Innenrohr (2) in "Zu"-Stellung.

Die Kontur des Leitkörpers (3) vor dem Innenrohr (2) kann so gewählt werden, daß das Verhältnis der Querschnittsflächen der Ringspalte (4) und (5) in jeder Position des Innenrohres (2) dem vorgegebenen Mischungsverhältnis der beiden Gase entspricht. Für ein immer gleich großes Mischungsverhältnis der beiden gasförmigen Komponenten in jeder Position des Innenrohres, d. h. unabhängig vom Durchsatz, stehen die Querschnittsflächen der Ringspalten (4) und (5) der Mischdüse bei der axialen Verschiebung des Innenrohres (2) stets im gleichen Verhältnis zueinander.

Bevorzugt läßt sich die Mischdüse zum Vermischen von Gasströmen im Verhältnis von 10:1 bis 1:10, besonders vorzugsweise von 5:1 bis 1:5, einsetzen, so daß die Verhältnisse der Querschnittsflächen der Ringspalten (4) und (5) Werte von 10:1 bis 1:10, vorzugsweise von 5:1 bis 1:5 aufweisen, wobei die Werte der Verhältnisse nicht ganzzahlig zu sein brauchen.

Zusätzlich ist es möglich, das Mischungsverhältnis der beiden Gase noch durch die Wahl deren Ausgangsdrücke vor der Düse zu beeinflus­ sen.

Die Kontur des Leitkörpers (3) kann auch so dimensioniert werden, daß sich das Mischungsverhältnis der beiden Gase in Abhängigkeit von der Position des Innenrohres ändert.

Für viele Zwecke ist der Leitkörper (3) paraboloidähnlich geformt. Je nach Mischungsverhältnis, Ausgangsdrücken und Eigenschaften der beiden Gase ergeben sich unterschiedliche Formen des Leitkörpers.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Rückseite des Leit­ körpers (3), in Strömungsrichtung gesehen, eine Strömungsabrißkante. Diese bewirkt durch Abreißen der Strömung eine besonders intensive Verwirbelung der beiden Gase hinter dem Leitkörper (3), was die Mischungsgüte noch erhöht. Bei einer konstruktiv einfachen und doch sehr wirkungsvollen bevorzugten Form eines Leitkörpers (3) mit Strö­ mungsabrißkante ist die Rückseite desselben, in Strömungsrichtung gesehen, plan ausgeführt.

Die Einstellung der Querschnittsflächen der Ringspalte (4) und (5) ist konstruktiv so gelöst, daß nur das Innenrohr (2) axial verstellt wird. Der Hub des Innenrohres (2) zwischen "Auf"- und "Zu"-Stellung der Mischdüse wird durch handelsübliche Abschaltungseinrichtungen im An­ triebsstrang des Innenrohres (2) begrenzt. Es kann z. B. pneumatisch oder über einen Getriebemotor bewegt werden. Die Verschiebung des In­ nenrohres (2) erfolgt vorzugsweise unter Einsatz von Faltenbälgen, die eine optimale Abdichtung der zu mischenden Gase gegeneinander und nach außen hin ergeben. Es können aber auch Stopfbuchsen und andere ge­ bräuchliche Abdichtungseinrichtungen für bewegliche Teile verwendet werden.

Die Verstellung des Innenrohres (2) kann man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Mischdüse automatisch an eine Mengenregelung einer der beiden gasförmigen Komponenten koppeln, d. h. der Ringspalt (4) oder der Ringspalt (5) ist dann das Stellglied einer Durchflußregel­ strecke der entsprechenden Komponente, so daß bei Lastwechsel eine synchrone Veränderung der Spaltweiten für beide Gasströme erfolgt.

Die beiden Gase strömen aus konzentrisch angeordneten Ringspalten (4) und (5), die dicht beeinander liegen, mit hoher Geschwindigkeit aus, wobei die Vermischung bei der Zusammenführung der Ströme durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Ströme sowie durch Verwirbe­ lung hinter dem Leitkörper (3) erzielt wird. Der zur Verfügung stehen­ de Ausgangsdruck der Gase setzt sich voll in Strömungsgeschwindigkeit um. Die Querschnittsflächen der Ringspalte (4) und (5) sind so bemes­ sen, daß man die dem vorgegebenen Druckgefälle zwischen reinen Gasen und Mischung entsprechenden maximal möglichen Ausströmungsgeschwindig­ keiten erreicht. Bei Teillast und entsprechend geringerem Gasdurchsatz erhält man die gemäß dem vorgegebenen Druckgefälle zwischen reinen Stoffen und Mischung maximal erzielbaren Austrittsgeschwindigkeiten der Gasströme durch Anpassung der Querschnittsflächen der Ringspalte (4) und (5) aufrecht, indem man das Innenrohr (2) axial verschiebt.

Es ist überraschend, daß bei wechselnden Mengenströmen der beiden Gase auch im Teillastbereich eine schnelle und intensive Vermischung unmit­ telbar am Ort des Zusammentreffens beider Gasströme erreicht wird. Lo­ kale Konzentrationsunterschiede der gasförmigen Komponenten sind prak­ tisch nicht mehr feststellbar.

Die erfindungsgemäße Mischdüse ist allgemein zum Vermischen zweier beliebiger Gase geeignet, wobei dieselbe für jeden Anwendungsfall entsprechend ausgelegt wird. Für diese Auslegung sind Mengenströme, Ausgangsdrücke, Temperaturen und die Stoffeigenschaften der beiden zu mischenden Gase sowie Druck und Temperatur der resultierenden Mischung zu berücksichtigen.

Bevorzugt läßt sich die Mischdüse zum Vermischen zweier gasförmiger Reaktanden im Bereich unmittelbar vor einer Reaktionszone einsetzen, d. h. die Reaktanden werden direkt beim Eintritt in den Reaktor mit­ einander gemischt. Da man mit der erfindungsgemäßen Mischdüse eine hervorragende Mischgüte innerhalb einer sehr kurzen Mischstrecke ohne das Auftreten von lokalen Konzentrationsunterschieden der beiden Kom­ ponenten erzielt, kann sichergestellt werden, daß die Reaktion erst am definierten Reaktionsort und nicht schon aufgrund von räumlichen Kon­ zentrationsunterschieden innerhalb der Mischstrecke einsetzt. Auf die­ se Weise kann

• - ein vorzeitiges Anspringen der Reaktion,
• - ein explosionsartiger Verlauf der Reaktion bei explosionsfähigen Gasmischungen und
• - das Auftreten von Folge- sowie Nebenreaktionen zu unerwünschten Nebenprodukten aufgrund ungenügender Durchmischung sicher vermieden werden.

Ein weiterer prinzipieller Vorteil der Mischdüse liegt darin, daß die Reaktion nicht aus dem Reaktor über die Mischdüse in vorgeschaltete Apparate und Rohrleitungen zurückschlagen kann.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Mischdüse läßt sich auch ohne weite­ res auf eine Mischdüse zum Vermischen mehrerer Gasströme ausdehnen, die aus einem Mantelrohr, mehreren axial verschiebbaren Innenrohren und einem Leitkörper besteht.

Als Beispiel zum Vermischen zweier Reaktanden sei der Einsatz der Mischdüse zum Vermischen von Chlor und einem methan- und/oder methylchloridhaltigen Einsatzgas zur Herstellung von Chlormethanen durch Gasphasenchlorierung angeführt.

Für diesen Anwendungszweck ermöglicht die erfindungsgemäße Mischdüse eine getrennte Vorwärmung der Einsatzstoffe Chlor und methan- und/oder methylchloridhaltiges Einsatzgas auf hohe Temperaturen, wodurch das Produktspektrum der Reaktion in weiten Grenzen variiert werden kann. Eine gemeinsame Vorwärmung der vorher vermischten Einsatzstoffe auf höhere Temperaturen verbietet sich, weil die Reaktion dann schon im Vorwärmer unter Umständen explosionsartig anspringt! Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein:

Beispiel

Eine erfindungsgemäße Mischdüse für die Anwendung bei der Methanchlo­ rierung, d. h. zur schnellen und vollständigen Vermischung von Chlor und methanhaltigem Einsatzgas, ist beispielsweise folgendermaßen ge­ baut:

Der lichte Durchmesser des Mantelrohres (1) im zylindrischen Teil be­ trägt 210 mm, der des Innenrohres (2) 160 mm. An der engsten Stelle des Mantelrohres (1) beläuft sich der lichte Durchmesser desselben auf 87,7 mm. Der lichte Durchmesser des Innenrohres (2) an dessen Mündung beträgt 50,3 mm. Die Verjüngung des Mantelrohres (1) erstreckt sich über 80 mm und die des Innenrohres (2) über 160 mm. Die sich an die Verjüngung des Mantelrohres (1) anschließende konische Erweiterung be­ sitzt eine Länge von 100 mm, und der lichte Durchmesser am Ende der Erweiterung des Mantelrohres (1) beträgt 150 mm. Der größte Durch­ messer des Leitkörpers (3) ist gleich dem lichten Durchmesser des Innenrohres (2) an der Mündung desselben. Die Höhe des Leitkörpers (3) in axialer Richtung beträgt 50 mm und ist gleich dem Hub des Innen­ rohres (2) zwischen "Auf"- und "Zu"-Stellung.

Die Mischdüse ist direkt am Eingang des Reaktors installiert.

Chlor wird durch das Innenrohr (2) und das methanhaltige Einsatzgas durch das Mantelrohr (1) geleitet. Die Ausgangsdrücke beider Gasströme betragen 3,5 bar abs. bei einem Reaktordruck von 2,4 bar abs.

Das methanhaltige Einsatzgas wird auf 110°C vorgewärmt, während Chlor mit einer Temperatur von 20°C ansteht.

Durch die Verschiebung des Innenrohres (2) über einen Weg von 50 mm lassen sich die Mengenströme variieren, und zwar für Chlor von 0 bis 2210 Nm³/h und für das methanhaltige Einsatzgas entsprechend von 0 bis 7540 Nm³/h. Für den praktischen Betrieb sind Mengenströme für Chlor oberhalb 200 Nm³ /h und entsprechend 690 Nm³/h für methanhaltiges Einsatzgas zweckmäßig. Das Mischungsverhältnis von Chlor zu methanhal­ tigem Einsatzgas ist über den gesamten Verstellbereich des Innenrohres (2) immer gleich und beträgt 1:3,4.

Bei Absenkung des Chlordruckes auf 3,2 bar absolut wird das Mischungs­ verhältnis von Chlor zu methanhaltigem Einsatzgas auf einen Wert von 1:4,2 eingestellt.

Das für die Beschleunigung der beiden Gasströme, unabhängig von der Position des Innenrohres (2), immer zur Verfügung stehende Druckgefäl­ le von jeweils 1,1 bar teilt sich wie folgt auf:

0,9 bar an den Ringspalten (4) und (5) und 0,2 bar für die Nachbe­ schleunigung des Gasgemisches bis hinter den Leitkörper (3). Die sich ergebenden unterschiedlichen Austrittsgeschwindigkeiten aus dem Ring­ spalt (5) bzw. (4) für Chlor von 121 m/s bzw. für das methanhaltige Einsatzgas von 268 m/s führen beim Zusammentreffen der beiden Gase zu einer ersten Vermischung vor der sich anschließenden turbulenten Verwirbelung infolge Querschnittserweiterung hinter dem Leitkörper (3).

Die Reaktion dieser beiden Gase miteinander findet in großer Entfer­ nung von der Mischdüse im Reaktor statt.

Claims (13)

1. Mischdüse zum Vermischen zweier Gasströme, bestehend aus Mantelrohr (1), Innenrohr (2) und Leitkörper (3), dadurch gekennzeichnet, daß - der Ringspalt (4) zwischen Mantel- und Innenrohr sowie - der Ringspalt (5) zwischen Innenrohr und Leitkörper durch axiale Verschiebung des Innenrohres verstellbar ist.

2. Mischdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr am Austrittsende verjüngt ist und der Innen­ durchmesser des Außenrohres an dessen engster Stelle kleiner ist als der Außendurchmesser des Innenrohres in dessen zylindrischem Teil.

3. Mischdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr an seinem Austrittsende konisch verjüngt ist.

4. Mischdüse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen der Ringspalten (4) und (5) bei der axialen Verschiebung des Innenrohres stets im gleichen Verhältnis zueinander stehen.

5. Mischdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse der Querschnittsflächen der Ringspalten (4) und (5) Werte von 10:1 bis 1:10 aufweisen, wobei die Werte der Verhältnisse nicht ganzzahlig zu sein brauchen.

6. Mischdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse der Querschnittsflächen der Ringspalten (4) und (5) Werte von 5:1 bis 1:5 aufweisen, wobei die Werte der Verhältnisse nicht ganzzahlig zu sein brauchen.

7. Mischdüse nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (4) das Stellglied einer Durchflußregelstrecke der entsprechenden Komponente ist.

8. Mischdüse nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (5) das Stellglied einer Durchflußregelstrecke der entsprechenden Komponente ist.

9. Mischdüse nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebbare Innenrohr unter Einsatz von Faltenbälgen abgedichtet ist.

10. Mischdüse nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper (3), in Strömungsrichtung gesehen, an seiner Rückseite eine Strömungsabrißkante hat.

11. Mischdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Leitkörpers, in Strömungsrichtung gesehen, plan ist.

12. Mischdüse nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischdüse zum Vermischen zweier Reaktanden im Bereich un­ mittelbar vor einer Reaktionszone eingesetzt wird.

13. Mischdüse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischdüse zum Vermischen von Chlor und einem methan- und/oder methylchloridhaltigen Einsatzgas zur Herstellung von Chlormethanen eingesetzt wird.