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Verfahren zur kontinuierlidien Herstellung eines Clasdampfgemisdies
von erhöhter Endtemperatur
Für die Durchführung von Gasreaktionen bei hohen Temperaturen
und für manche ähnlich gelagerte Anwendungsfälle tritt häufig die Aufgabe auf, ein
Gasdampfgemisch von erhöhter Endtemperatur herzustellen, dessen Komponenten bei
wesentlich niedrigeren Ausgangstemperaturen gegeben sind und von denen die eine
Komponente bei dieser Ausgangstemperatur eine verdampfbare Flüssigkeit, die andere
aber schon von vornherein und sonst durchweg ein permanentes Gas ist. Das getrennte
Erhitzen der beiden Komponenten bis zu einer Temperatur, wo die flüssige Komponente
vollständig verdampft ist, und das nachfolgende Zusammenführen beider würde unenvünschteVerumständlichungen
besonders hinsichtlich der notwendigen Vorrichtungen verursachen, namentlich für
den die Regel bildenden Fall, daß das fertige Gemisch unter einem wesentlich höheren
als dem atmosphärischen Druck verfügbar sein muß. Das gemeinsame Erhitzen der gasförmigen
und flüssigen Komponente führt aber wegen der Ungieichartigkeit der gasförmigen
und flüssigen Phase auf erhebliche Schwierigkeiten in der betrieblichen Durchführung
durch die Neigung der flüssigen Komponente, unter der Schwerkrafteinwirkung sich
von der gasförmigen Komponente zu scheiden, besonders bei Anwendung von großräumigen
Erhitzungsvorrichtungen mit entsprechend niedrigen Durchströmgeschwindigkeiten,
z. 13. bei
der gerade in solchen Fällen häufigen Anwendung eines
Wärmeaustausches zwischen dem herzustellenden, für eine spätere Reaktion bei hoher
Temperatur bestimmten Gasdampfgemisch und den aus der Reaktion zurückgehenden heißen
Gasen bzw. Dämpfen.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung geschieht die kontinuierliche Herstellung
eines Gasdampfgemisches, von erhöhter Endtemperatur aus einem Gas und einer verdampfbaren
Flüssigkeit von niedrigerer Ausgangstemperatur dadurch, daß das Gas in mehreren
Temperaturstufen fortschreitend höher erhitzt und hinter den einzelnen !Stufen mit
je einer Teilmenge der Gesamtflüssigkeit derart vermischt wird, daß diese vorlBeendigung
der nächstfolgenden Temperaturstufe vollständig verdampft ist. Bei dem häufig in
Betracht kommenden Fall, daß das Verfahren für erhöhten Druck des Gasdampfgemisches
durchzuführen ist, kann die erste Temperaturstufe des Gases durch die bei seiner
Kompression auftretende Temperaturerhöhung gebildet werden. Die Einteilung der Temperaturstufen
und der auf sie entfallenden Flüssigkeitsteilmengen läßt dabei weitgehende Variationsmöglichkeiten
offen; vorteilhaft richtet man es so ein, daß die zuletzt zuzumischende Flüssigkeitsmenge
klein im Verhältnis zur ursprünglichen Gesamtflüssigkeit ist. Dieses Verfahren kommt
insbesondere für solche Fälle in Betracht, wo die flüssige Komponente ein Kohlenwasserstoffgemisch
ist, das im dampfförmigen Zustand unter hoher Temperatur bei Gegenwart des mit ihm
zu vermischenden Gases irgendwelchen Reaktionen, Umwandlungsprozessen od. dgl. zu
unterwerfen ist.
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Die Vorteile des Verfahrens liegen einerseits in der Vermeidung der
Nachteile und Unzulänglichkeiten der bekannten, sei es getrennten oder gemeinsamenErhitzung
eines Gases und einer zuzumischenden Flüssigkeit, andererseits in der weitgehenden
Anpassungs- und Wandlungsfähigkeit der Betriebsführung und in der verbesserten Wärmeausnutzung.
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Da sowohl die Ausgangs- als auch die Endzustände der beiden Komponenten
bzw. des Gemisches von Fall zu Fall, auch innerhalb derselben Anlage zeitweilig
stark verschieden sein können, ist die Mehrzahl der Verfahrensstufen, die sowohl
in ihrer Wirksamkeit als auch in ihrer Anzahl variiert werden können, ein wertvolles
Mittel, um allen Betriebsbedürfnissen je nach Wunsch gerecht zu werden.
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Die Unterteilung des Zumischens von Flüssigkeit zu dem Gas schafft
durch die hiermit verkleinerten Einzelmengen bedeutende Erleichterungen für ihr
schnelles und räumlich zusammengedrängtes Verdampfen. Das in den einzelnen Stufen
hergestellte Gasdampfgemisch kann demzufolge leicht als praktisch reine Gas- bzw.
Dampfphase, d. h. frei von nennenswerten Flüssigkeitsbeimengungen, - erhalten werden
und ermöglicht in dieser Form bei seiner Weitererhitzung einen glatten und ungestörten,
dadurch auch vervollkommueten Wärmeübergang.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren
besitzt mehrere, vorzugsweise als liegende Röhrenwärmeaustauscher ausgebildete Gaserhitzer
und die erforderlichen Zubehörteile für die Aufgaben des Zuführens, Abführens und
Mischens der Komponenten in einer Anordnung, wie sie sich im einzelnen gemäß der
nachstehenden Beschreibung aus der Zeichnung ergibt, die ein Ausführungsbeispiel
für die Durchführung des Verfahrens in einer schematisch gehaltenen Aufriß darstellung,
teilweise im senkrechten Schnitt, erläutert.
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In diesem Beispiel möge das Gas hochprozentiger Wasserstoff mit einer
Ausgangstemperatur von etwa 300 C und von atmosphärischem oder mäßig erhöhtem Druck
und die Flüssigkeit möge ein durch Synthese erzeugtes Benzin mit einem mittleren
Siedepunkt von etwa I6&' C und einem mittleren Molekulargewicht von etwa I30
sein, das eine Ausgangstemperatur von etwa 600. besitzt. Zur Erhitzung des Gases
dienen drei als liegende Röhrenerhitzer ausgebildete Wärmeaustauscher I, 2 und 3,
die sowohl von dem zu erhitzenden Gas als auch von dem gasförmigen Heizmittel, und
zwar unter Gegenstrom beider, hintereinander durchzogen werden. Das Heizmittel,
als welches das aus der Reaktion heiß zurückkehrende Gas- oder Dampfgemisch dient,
kommt durch die Rohrleitung 4 an und wird durch die Zufuhrrohrleitungen 5, 6, 7
der Reihe nach den Wärmeaustauschern 3, 2 und I zugeführt und durch die Abgangsrohrleitungen
8, 9 und io aus ihnen abgeführt, worauf es durch die Rohrleitung II entweicht. Zur
Aufrechterhaltung dieser Führung des Heizmittels werden die in die Rohrleitung 4
eingefügten Absperrvorrichtungen I2, 13, I4 geschlossen und die in den sämtlichen
Zugangs-und Abgangsrohrleitungen 5 bis 10 vorgesehenen Absperrvorrichtungen offen
gehalten. Aus der Einzeldarstellung des unterstenWärmeaustauschers I erkennt man,
daß das Heizmittel durch die waagerechten Rohre desselben in zwei hintereinandergefügten
Stromwegen hindurchzieht. Das zu verarbeitende Gas, im Beispiel also Wasserstoff,
tritt durch die Rohrleitung 15 mit einer Temperatur von etwa 30°' C und seinem Anfangsdruck
von beispielsweise 10 atüin den zweistufigen Gaskompressor 16 ein und aus diesem
mit dem erhöhten Druck von beispielsweise 40 atü durch die Rohrleitung I7 aus.
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Die Zylinderkühlungen dieses Kompressors werden so eingestellt, daß
das komprimierte Gas in der Rohrleitung I7 eine Temperatur von beispielsweise 1300
C besitzt. Es tritt nut in den untersten Teil 18 einer senkrechtenVerteilungsrohrleitung
22 ein und in das waagerechte Rohr 19 über, das mit seinem Endkrümmer 20 am untersten
Teil des Wärmeaustauschers I in den die Wärmeaustauschrohre umgebenden Raum einmündet.
Aus diesem Raum wird das darin weitererhitzte Gas bzw. Gasdampfgemisch durch die
an den obersten Teil des Wärmeaustausuchers I anschließende Abgangsrohrleitung 21
weggeführt. Die zur Verarbeitung gelangende Flüssigkeit, z.B. Benzin, wie angegeben,
wird durch die Rohrleitung 23 einer Druckpumpe 24 zugeführt und von dieser in die
Druck- und Verteilungsleitung 25 übergeführt. Der erste unterste Abzweig 26 dieser
Rohrleitung ist mit dem Regelungs- und Absperrungsventil 27 versehen und setzt sich
in das Strahldüsenrohr 28 fort, welches das erwähnte Gasrohr-
stück
I8 durchsetzt und in die anschließende Gasrohrleitung 19 gleichachsig zu dieser
hineinragt, wie die Zeichnung darstellt. Zwei weitere höherliegende Rohrabzweigungen
26, Ventile 27 und Strahldüsenrohre 28 sind an den entsprechenden Gasrohrleitungen
für die weiteren Wärmeaustauscher 2 und 3 vorgesehen. Nach der Erfindung wird durch
diese einzelnen Rohrleitungen 26 bzw. anschließenden Strahldüsenrohre 28 je eine
Teilmenge der gesamten Benzinflüssigkeit in den Strom des zu erhitzenden Gases eingeführt
und mit diesem in der anschließenden Gasrohrleitung gemischt, die demnach als Mischvorrichtung
wirkt. Es möge z. B. angenommen werden, daß die gesamte Gasmenge stündlich 4500
Nm9 Wasserstoff und die gesamte Flüssigkeitsmenge stündlich 7000 kg Benzin der oben
angegebenen Beschaffenheit betrage. Man führt nun beispielsweise durch den untersten
Abzweig 26 und das Düsenrohr 28 in das unter 40 atü Druck stehende und I300 C warme
Gas eine Teilmenge von stündlich 1000 kg Benzin ein. Diese Benzinmenge wird nun
von dem heißeren Gas, das in diesem Anfangszustand noch benzinfrei und für eine
bedeutend größere Benzinmenge aufnahmefähig ist, schon durch das Vermischen in dem
Rohr 19 praktisch vollständig verdampft; wenn Restteile von Flüssigkeit in den Wärmeaustauscher
I mit hineingetragen werden, werden sie vielleicht teilweise sich auf der Bodenfläche
seines Gehäuses verbreiten und nachdampfen, im übrigen aber von dem Gasstrom mitgerissen
und bei seinem Weiterziehen an den Wärmeanstauschrohren vorbei durch das fortschreitende
Erhitzen völlig in Dampf verwandelt. Wenn das gebildete Gasdampfgemisch, nachdem
es innerhalb des Wärmeaustauschers I an dessen Erhitzungsrohren vorteilhaft in einem
durch Leitwände verlängerten etwa waagerechten Schlangenweg vorbeigezogen ist, aus
dem obersten Teil durch das Rohr 21 abströmt, ist jedenfalls in dieser zweiten Temperaturstufe
des Gases vor dem Ende derselben alles bis dahin zugeführte Benzin vollständig verdampft.
Die Temperatur des aus dieser Stufe abziehenden Gases möge beispielsweise 2000 C
betragen. Dieses Gasdampfgemisch zieht nun von der Rohrleitung 2I aus weiter in
den Rohrteil 29 der senkrechten Gasverteilleitung 22 und das anschließende Gasrohr
30, welches mit dem Krümmer 3I in den unteren Teil des zweiten Wärmeaustauschers
2 einmündet. In dieses Rohr 30 wird von der Benzindruckleitung 25 durch den zugeordneten
Abzweig 26 und das Strahldüsenrohr 28 stündlich eine zweite Benzinteilmenge von
beispielsweise 5000 kg zugeführt und im Rohr 30 mit dem Gasstrom vermischt. Unter
den hier herrschenden Bedingungen wird das Sättigungsvermögen des Gases mit Benzindampf
bei weitem nicht vollständig durch die angegebene Benzinzufuhr erschöpft, weswegen
auch hier ein vollständiges Verdampfen des Benzins in den Gasstrom hinein wie bei
demWärmeaustauscher I stattfindet. BeimDurchströmen durch diesenWärmeaustauscher2
2 wird das Gasdampfgemisch weiter bis auf 2500 C erhitzt und zieht mit dieser Temperatur
am obersten Teil des Wärmeaustauschers 2 durch die Rohrleitung 32 ab. Es tritt nun
in den dem dritten Wärmeaustauscher 3 zugeordneten Rohrteil 33 und in das anschließende
Gasrohr 34 über, das mit seinem Endkrümmer 35 in den unteren Teil des dritten Wärmeaustauschers
3 einmündet. In dieses Rohr 3+ wird von der zugeordneten Strahldüse 28 der Benzindruckleitung
25 die übriggebliebene Restmenge Benzin von stündlich Iooo kg eingespritzt und dadurch,
weil auch hier das Sättigungsvermögen des Gases bei weitem nicht erschöpft wird,
vollständig verdampft. Die dann in diesem Wärmeaustauscher 3 vor sich gehende weitere
Erwärmung des Gases bis zu einer Endtemperatur von beispielsweise 300° C bei seinem
am oberen Teil erfolgenden Austritt durch die Abgangsrohrleitung 36 ist für das
Verfahren nicht wesentlich, kann aber nützlich sein, um einerseits das Gas vollständig
von mitgerissenen Benzinflüssigkeitsspritzern durch deren eintretende Verdampfung
zu befreien, andererseits die dahinter folgenden Vorrichtungen zur Erhitzung des
Gases bis auf die beträchtlich höherliegende Reaktionstemperatur zu entlasten. Das
fertig hergestellte Gasdampfgemisch zieht durch die Rohrleitung 37 ab, um der nachgeschalteten
Reaktion unterzogen zu werden.
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Die in die erwähnten Gasrohrleitungen eingebauten Absperrvorrichtungen
38, 39, 40, 4I, 42, 43, 44, 45 und 46 können dazu dienen, um den einen oder anderen
der drei Wärmeaustauscher I, 2, 3 nach Belieben abzuschalten.
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Da bei den einzelnen Röhrenwärmeaustauschern der vorbeschriebenen,
zur Durchführung des Verfahrens dienenden Vorrichtung, die als Mischvorrichtungen
für das Gas und die Flüssigkeit ausgebildeten Zufuhrrohre jeweils am unteren Teil
und die Abgangsrohre für das gebildete und höher erhitzte Gasdampfgemisch höher,
nach dem Beispiel am obersten Teil der Wärmeaustauscher angeordnet sind, ergibt
sich der Vorteil, daß keinerlei Flüssigkeitsteile zusammen mit dem Gasdampfgemisch
aus einer Erhitzungsstufe in die nächstfolgende hinübergetragen werden.
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Die Ausbildung der Gaserhitzer braucht nicht auf die im Zeichnungsbeispiel
dargestellteAusführungsform von liegenden Röhrenwärmeaustauschern beschränkt zu
werden. Es kann jede andere geeignete Bauart eines Wärmeaustauschers und jedes beliebige
Heizmittel angewendet werden.
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Die Anzahl der anzuwendenden Stufen ist selbstverständlich nicht
auf die im Beispiel vorgesehenen drei Stufen besehränkt. Es können unter Umständen
schon zwei Stufen genügen oder bei Bedarf auch mehr als drei in Betracht kommen.