DE969635C

DE969635C - Reaktions- und Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE969635C
Application number: DEST8982A
Authority: DE
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1953-11-24
Filing date: 1954-11-03
Publication date: 1958-06-26
Also published as: GB773151A; FR1112492A; US2989380A

Description

Reaktions- und Verbrennungsvorrichtung Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Ausführung solcher insbesondere exothermer chemischer Reaktionen, die mit großer Geschwindigkeit verlaufen oder bei denen die Verweilzeit in der Reaktionszone geregelt werden soll. Mit besonderem Vorteil können Verbrenn,un,gsreaktionen in ihr durchgeführt werden.
Verbrennungskammern finden in der Industrie ausgedehnte Anwendung, auf den Gebieten der Benzin- und Dieselmotoren, der Gas- und Kohlenöfen, der Dlbrenner usw. Man hat jedoch mit dieser Art von Verbrennungsvorrichtungen bisher nur Wärmeabgabewerte von höchstens I80 bis 44 500 Cal/Std/ltr Verbrennungsraum/at2 erzielt.
Demgegenüber kann man mit der Vorrichtung nach der Erfindung, wenn man sie als Verbrennungskammer verwendet, eine maximale Wärmeabgabe von etwa 3 560 ovo Cal/Std/ltr Verhrennungsraumlat2 erzielen.
Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht ans einem kugelförmigen Hohlkörper, der mit einer Vielzahl in seiner Wandung angeordneter Austrittsöffnungen von vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt versehen ist, wobei im Innern des Hohlkörpers ein zweiter kleinerer kugelförmiger Hohlkörper konzentrisch angeordnet ist, der mit einer Vielzahl symmetrisch verteilter Austrittsöffnungen und einer Eintrittsöffnung in seiner Wandung versehen ist, die mit einer die Wandung des Hohlkörpers radial durchdringenden und an ihr befestigten Zuleitung verbunden ist, wobei auch die Austrittsöffnungen des äußeren Hohlkörpers symmetrisch angeordnet sind.
Die Verbrennungsgeschwindigkeit hängt von zwei Faktoren ab, nämlich von der zur Herstellung der zu verbrennenden Mischung erforderlichen Zeit und von der durch die chemische Kinetik gegebenen Reaktionsgeschwindigkeit. Die Dauer der Herstellung dler Mischung umfaßt die Zeiten, die I) zur Verdampfung des Brennstoffs., 2) zur Mischung des verdampften Brennstoffs mit Luft im richtigen Mengenverhälltnis und 3) zur Erhitzung der Mischung auf den Entzündungspunkt erforderlich sind.
Bei den üblichen großtechnischen Verbrennungsanlagen, wie Ofen und Kraftmaschinen, wird die Verbrennungsgeschwindigkeit durch die zur Herstellung der Mischung erforderliche Zeit bestimmt.
In diesen Fällen ist die eigentliche Chemische Reaktionsdauer im Verhältnis zur Dauer der Herstellung der Mischung bereits außerordentlich klein. Verwendet man jedoch die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung als Verbrennungskammer, so erzielt man infolge des geometrischen Baues dieser Vorrichtung und der sich daraus ergebenden höchst wirksamen turbulenten Mischung in ihrem Inneren äußerst kurze Verbrennungszeiten von der Größenordnung von Io-4 Sek.
Die im Vergleich mit den bekannten Verbrennungsvorrichtungen äußerst hohe Verbrennungsgeschwindigkeit ermöglicht es, daß die Verbrennungskammer nach der vorliegenden Erfindung viel kleiner und kompakter auslgefiihrt werden. kann als die üblichen Verbrennungsvorrichtungen.
Bekannt ist eine Verbrennungsvorrichtung, die aus einem kugelförmigen Hohlkörper besteht, der mit einer Vielzahl in seiner Wandung angeordneter Eintrittsöffnungen und mit einer Vielzahl in seiner Wandung angeordneter Austrittsöffnungen und mit radial an seiner Oberfläche angeordneten Zuleitunlgen versehen ist, von denen jede mit einer der Eintrittsöffnungen in Verbindung steht.
Im Sinne der Erfindung ist die Verbrennungsvorrichtung nicht mit einer Vielzahl von Eintrittsöffnungen, sondern mit nur einer Eintrittsöffnung ausgestattet. Daher steht für die Austrittsöffnungen eine bedeutend größere Fläche der Hohlkörperwandung zur Verfügung. Die eine Eintrittsöffnung bewirkt in Verbindung mit einer Vielzahl symmetrisch verteilter Austrittsöffnungen in dem kleineren kugelförmigen Hohlkörper ein gleichmäßiges Vermischen von Brennstoff und Luft und eine gleichmäßige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
Die Vorrichtung nach der Erfindung und ihre Anwendung werden nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert: Fig. I ist die Vorderansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungsvorrichtung; Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt durch die in Fig. I darge&tellte Vorrichtung nach der Linie 4-4 der Fig. I.
Die Verbrennungsvorrichtung weist eine Hohlkugel II auf, welche aus einem äußeren Mantel I2 und einem inneren Mantel 12 b besteht. Der äußere Mantel besteht aus Metall, und zwar - falls die Arbeitstemperatur so° C nicht übersteigt und die Reaktionsstoffe nicht korrodierend wirken - aus gekohltem Stahl. Für höhere Temperatur und bzw. oder korrodierende Bedingungen soll der Mantel 12 cd aus einem Metall oder einer Legierung von hohem Schmelzpunkt bestehen, wie Nickel, Chrom Molybdän, rostfreiem Stahl usw. Der Metallmantel I2 zu schließt den Hohlkörper I2b ein, der aus einem isolierenden keramischen Stoff besteht.
Für Arbeitstemperaturen von mindestens 540 bis 1 100.0 C wird Nickel als Baustoff für die Hülle bevorzugt. Verwendet man die Verbrennungskammer ohne den isolierenden Hohlkörper 12 b, so muß der Mantel 12 CL aus einem Metall oder einer Legierung bestehen, die Temperaturen von etwa 1100 bis 16500 C aushält. Die Verwendung des Metallmantels 12 CL in Kombination mit dem isolierenden Hohlkörper I2 b wird jedoch bevorzugt.
Der isolierende Hohlkörper I2 b ermöglicht es, die Temperatur des Metallmantels I2a erheblich unter der in der Verbrennungszone in der Mitte des isolierenden Hohlkörpers I2 b herrschenden Temperatur zu halten und den Wärmeverlust durch die Wand der Hohlkugel II zu verringern. Dies ist wesentlich, da die Wärmeabgabe in der Verbrennungszone von der Temperatur dieser Zone abhängt. Die Isolierhülle 12 b wird hergestellt, indem man zwei halbkugelförmige Hohlkörperteile aus einem gegen hohe Temperatur isolierenden feuerfesten Ziegelmaterial ausschneidet und sie dann innerhalb des Metallmantels 12 CL zu einem kugelförmigen Isoliermantel zusammensetzt. Der Werkstoff des Isoliermantels I2 b soll sowohl unter oxydierenden (magere Brennstoff-Luft-Gemische) als auch unter redu,zierendent (reiche Brennstoff-Luft-Gemische) Bedingungen Temperaturen von mehr als I6500 C aushalten. Gleichzeitig muß der Werkstoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit, gute Widerstandsfähigkeit gegen plötzliche extreme Temperaturänderungen, wie sie beim Anzünden und Auslöschen der Verbrennungskammer auftreten, aufweisen und sich zu halbkugelförmigen Werkstücken mit einigermaßen guter mechanischer Festigkeit verarbeiten lassen. Hierfür eignen sich Ziegel stabilisiertem Zirkonoxyd, aus Kaolin, aus Aluminiumoxyd usw.
Der Mantel besitzt eine Vielzahl vorzugsweise symmetrtscli. angeordneter Austrittsöffnungen 14, durch welche die Verbrennungsprodukte aus dem Innern der Kugel abströmen können.
Im Innern des Hoblkörpers II befindet sich ein konzentrisch angeordneter kleinerer kugelförmiger Holilkörper 23. Dieser Hohlkörper besitzt eine Eintrittsöffnung 24 und eine Vielzahl von vorzugsweise symmetrisch über seine Wandung verteilten Austrittsöffnungen 25. Die Zuführungsleitung 26 steht mit der ins Innere des Hohlkörpers 23 führenden Eintrittsöffnung 24 in Verbindung und hat einen erheblich kleineren Durchmesser als der Hohlkörper 23, damit eine möglichst gleichförmige Verteilung des Brennstoff-Luft-Gemisches über den gesamten Umfang des Hohlkörpers 23 stattfindet.
Die Zuffilhrungsleitung 26 verläuft längs eines gemeinsamen Radius der Hohlkörper II und 23, ragt aus dem Hohlkörper II heraus und ist an dem Metallmantel I2a des Hohlkörpers II befestigt.
Die Zuführungsleitung 26 und der Hohlkörper 23 bestehen aus Metall, wie Molybdän, Chrom oder einer Legierung usw., falls .die Arbeitstemperaturen zwischen etwa 1100 und I6500 C liegen; für nicht korrosive Reaktionsteilnehmer und eine Arbeitstemperatur unterhalb 5400 C kann man gekohlten Stahl verwenden. In der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform sind zwanzig symmetrisch verteine Ausltrittsoffnu,ngen 14 vorgesehen. Die Düse I6 und die Zündvorrichtung I7 dienen zum Anzünden der Verbrennungsvorrichtung.
Beim Betrieb dieser Vorrichtung wird der Brennstoff, falls er flüssig ist, zunächst verdampft, in der richtigen Menge mit einem sauerstoffhaltigen Gas gemischt und die Mischung durch die Zuführungsleitung 26 und Eintrittsöffnung 24 ins Innere des Hohlkörpers 23 geleitet. Das Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt dann von dem Hohlkörper 23 aus durch die symmetrisch angeordneten Austrittsöffnungen 25 in gleichmäßiger Verteilung in die zwischen der Außenwandung des Hohlkörpers 23 und der Innenwandung des Hohlkörpers II befindliche Verbrennungszone. Die Austrittsöffnungen 25 des Hohlkörpers 23 stellen daher eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen zur Einführung des Brennstoff-Luft-Gemisches in die Verbrennungszone dar. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in der Verbrennungsvorrichtung II mittels eines aus der Düse I6 austretenden, durch die Zündvorrichtung 17 gezündeten Wasserstoffstrahls entzündet und die Wasserstofffiamme in eine der Austrittsöffnungen I4 des Hohlkörpers II eingeführt. Die heißen Verbrennungsgase verlassen die Verbrennungszone durch die Austrittsöffnungen 14.
Die Anzahl der Eintrittsöffnungen zur Verbrennungszone ist lediglich durch den Durchmesser der Öffnungen 25 und durch die Größe der Oberfläche des Hohlkörpers 23 begrenzt. Der Außendurchmesser des Hohlkörpers 23 soll vorzugsweise ein Zehntel bis ein Drittel des Innendurchmessers des Isoliermantels 12 b betragen.
Die Verbrennungsvorrichtung kann zur Verdampfung von Flüssigkeiten verwendet werden.
Bei dieser Anwendungsart führt man den verdampften und mit Luft gemischten Brennstoff in den Hohlkörper 23 ein, von wo aus er sich durch die Austrittsöffnungen 25 gleichmäßig ins Innere der Hohlkugel II verteilt. Nachdem das Gemisch angezündet ist, wird die Vorrichtung unter die Oberfläche der zu verdampfenden oder zu konzentrierenden Flüssigkeit getaucht.
Hierbei dient die Vorrichtung als Tauchheizkörper zum Verdampfen einer Flüssigkeit, z. B. zum Konzentrieren von Beizflüssigkeiten, Schwefelsäure usw. Die aus dem Innern des Hohlkörpers austretenden heißen Verbrennungsgase streichen in Blasen durch die Flüssigkeit und bringen diese zum Verdampfen. In dieser Anwendungsform sichert die Verbrennungsvorrichtung eine hohe Wärmeabgabe und einen innigen Kontakt zwischen der durch Verdampfung zu konzentrierenden Flüssigkeit und den heißen Verbrennungsgasen.
Als weiteres Beispiel eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbaren Verfahrens sei die teilweise Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen erwähnt. So kann man z. B. Butan zu Buten und Butadien dehydrieren. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Reaktion unter scharfer Kontrolle zu halten, damit die gewünschten Produkte entstehen.
Bei dieser Art von Reaktionen muß die Verweilzeit genau geregelt werden, um die Bildung unerwünschter Produkte zu vermeiden. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung schafft eine einfache Möglichkeit, solche Reaktionen auszuführen, bei denen das Ausmaß, bis. zu welchem die chemische Reaktion verläuft, durch Änderung der Verweilzeit variiert werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Reaktions- und Verbrennungsvorrichtung mit einem kugelförmigen Hohlkörper, der mit einer Vielzahl in seiner Wandung angeordneter Austrittsöffnungen von vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Hohlkörpers (II) ein zweiter kleinerer kugelförmiger Hohlkörper (23) konzentrisch angeordnet ist, der mit einer Vielzahl symmetrisch verteilter Austrittsöffnungen (25) und einer Eintrittsöffnung (24) in seiner Wandung versehen ist, die mit einer die Wandung des Hohlkörpers (11) radial durchdringenden und an ihr befestigten Zuleitung (26) verbunden ist, wobei auch die Austrittsöffnungen (I4) des äußeren Hohlkörpers symmetrisch angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des inneren Hohlkörpers (23) ein Zehntel bis. ein Drittel des Innendurchmessers des äußeren Hohlkörpers (1 1) beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1 005 993.