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Publication number: DEA0021834MA
Authority: DE

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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 31. Dezember 1954 Bekanntgemacht am 6. Dezember 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

KLASSE 12 g GRUPPE INTERNAT. KLASSE B 01 j

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ist als Erfinder genannt worden

Es sind zahlreiche chemische Reaktionen bekannt, die stark exotherm ablaufen und deshalb besonderer apparativer Vorkehrungen bedürfen, um die Prozesse technisch zu beherrschen. Viele dieser Reaktionen, wie z. B. die Vereinigung von Chlor und Wasserstoff zu Chlorwasserstoff, die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff unter Bildung von Wasserdampf oder die Chlorierung von Kohlenwasserstoffen zu den verschiedenen Chlorkohlenwasserstoffen, sind so stark exotherm, daß sie teilweise unter Flammenerscheinuiigen ablaufen. Bei der technischen Durchführung derartiger Reaktionen kommt bisher dem Material der Wandungen des Reaktionsgefäßes eine ausschlaggebende Bedeutung zu. Die zur Erzielung eines vollständigen Umsatzes erforderliche gründliche Durchmischung der Reaktionskomponenten hat man meistens dadurch zu erreichen versucht, daß man die Reaktionskomponenten in einer geeignet geformten Düse (Brenner) mischt und die Reaktion im freien Raum vor dieser Düse in Form einer Flamme vor sich gehen läßt. Dabei müssen die Wände des Reaktionsraumes dadurch kalt gehalten werden, daß man sie von außen her kühlt.

Diese Arbeitsweise besitzt die grundsätzlichen Nachteile,

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ι. daß die an das Kühlmedium abgegebene Wärme sich in der Regel nicht nutzbringend wiedergewinnen läßt;

2. daß zur Erzielung des für die wirksame

" 5 Durchmischung der im allgemeinen aus Gasometern mit dem nur niedrigen Gasometerdruck entnommenen Re ak ti on s teilnehmer erforderlichen Vordruckes meist Gebläse oder Kompressoren eingesetzt werden müssen;

ίο 3. daß zur Vermeidung eines Zurückschiagens der Flamme bei den üblichen Brennerformen stets ein besonderer Aufwand sich erforderlich macht. Die erwähnten Nachteile werden vermieden, indem man erfindungsgemäß die exothermen chemisehen Reaktionen in der Weise durchführt, daß man eine Reaktionskomponente, zweckmäßig die in bezug auf das Wandmaterial des Reaktionsraumes am wenigsten aggressive, in Form einer Schraubentangente aus oder in der Nähe der Grundfläche eines nach Art eines Zyklons gestalteten Reaktionsraumes mit einer Strömungsgeschwindigkeit eintreten läßt, welche einen an der Wand des Reaktionsraumes.'' gleitenden räumlichen Wirbel ausbildet, während man gleichzeitig am entgegengesetzten Ende des Reaktionsraumes, also in der Nähe. der Zyklonspitze, axial oder tangential den oder die anderen Reaktionsteilnehmer einzeln oder vermischt eintreten läßt, so daß die exotherme Reaktion in der Mischungszone im Axialraum des Reaktionsgefäßes abläuft und die sich bildenden Reaktionsprodukte axial nach oben laufend abgeführt werden. Die Lage des Reaktors im Raum ist nicht auf die in den Abb. 1 und 2 gezeigte Stellung beschränkt. Dieser kann auch liegend, schräg oder auf der Basis stehend betrieben werden.

Diese Art der Zuführung der Reaktionsteilnehmer ergibt eine recht wirksame Abschirmung des Hauptteils der Innenwandung des Reaktionsraumes gegen die bei der Reaktion entstehenden Wärmemengen und die korrodierenden Einflüsse des Reaktionsproduktes bzw. der aggressiveren Reaktionskomponente. Die Eigenart der erfindungsgemäß hergestellten Strömung bringt es ferner mit sich, daß beim Umkehrpunkt der tangential eingewirbelten Reaktionskomponente U ein nur geringer Druck herrscht. Der von unten her, B, eingeführte zweite Reaktionsteilnehmer braucht daher entweder keinen oder nur wenig Vordruck, um eine intensive Durchmischung der beiden Re₇-aktionspartner in der Mischungszone oberhalb des Umke'hrpunktes U zu gewährleisten. Die Reaktion spielt sich dann im wirbelnden Zentralstrom im wesentlichen auf der Strecke B-C ab, wobei eine ständige weitere Durchmischung der Komponenten stattfindet. Die durch die Reaktion freigesetzte strahlende Wärme wird nicht unmittelbar an die Wand des Reaktionsraumes, sondern zunächst an den Strom der bei A tangential eingewirbelten Reaktionskomponente abgegeben, wodurch diese im Verlauf ihres Weges von A nach U aufgeheizt wird, und zwar derart, daß sie ihre höchste Temperatur dort erreicht, wo oberhalb des Umkehrpunktes U in der Mischungszone ihre wirbelnde Vermischung mit der von. B her zugeführten und gegebenenfalls kalten Reaktionskomponente erfolgt. Dadurch wird erreicht, daß stets und sicher die Zündung des Gemisches erfolgt und daß außerdem die bei der Reaktion entstehende Wärme der Adiabatik des exothermen Vorganges insgesamt ■ zugute kommt. Die so erzeugte Wärme ist dann im Strom des an der Oberseite des Reaktionsraumes C abgeführten Reaktionsproduktes enthalten und kann demzufolge später beispielsweise in einem Abhitzekessel nahezu vollständig wiedergewonnen werden.

Falls eine bestimmte Reaktion eine Reaktionstemperatur erfordert, die unterhalb der Temperatur liegt, die sich durch den adiabatischen Prozeß erreichen läßt, so läßt sich die erforderliche Temperatur dadurch einstellen, daß man eine der Reaktionskomponenten entweder in starkem Überschuß oder aber in Verdünnung mit einem inerten Gas oder Dampf zuführt, das bzw. der an der Reaktion nicht teilnimmt, aber geeignet ist, durch Aufnahme eines Teiles der Reaktionswärme die Reaktionstemperatur auf die gewünschte Höhe einzustellen. Bei beiden Ausführungsformen ist die gesamte durch die Reaktion freigesetzte Wärme im Strom der abgeführten Reaktionsprodukte enthalten und läßt sich in wirtschaftlicher Weise wiedergewinnen.

Abb. ι und 2 zeigen Reaktionsgefäße, in denen das Verfahren gemäß der Erfindung beispielsweise durchgeführt werden kann, die im wesentlichen aus einem auf die Spitze gestellten Kegel bestehen, der axial unten eine Zufuhrleitung B für Reaktionsteilnehmer, oben eine Ableitung C für die Reaktionsprodukte besitzt und außerdem mit einer oder mehreren tangential und in einem gewünschten Winkel in· der Nähe der Oberseite in das Innere des Gefäßes führenden Zufuhrleitungen A, D, F ausgestattet ist.

Die eingezeichnete. Schraubenlinie zeigt den Weg der Einwirbelung der Reaktionskomponenten. Der Umkehrpunkt des Wirbels ist mit U bezeichnet, oberhalb dessen sich die Misch- und Reaktionszone befindet.

Bei den in der Abbildung dargestellten Vorrichtungen braucht z. B. bei einer Austrittstemperatur der Reaktionsprodukte von 1100⁰C nur das Ableitungsrohr bei C aus temperaturbeständigem und korrosionsfestem Material hergestellt zu werden, während der gesamte übrige Körper des Reaktionsraumes aus gewöhnlichem Eisenblech hergestellt werden kann. Allenfalls empfiehlt es sich noch, zusätzlich auch die Umgebung der Misch- und Reaktionszone in der Nähe des Punktes U aus widerstandsfähigerem Material zu bauen.

Auch die Isolierung der Apparatur gestaltet sich überaus einfach, weil durch den gewählten Strömungsverlauf der eingewirbelten Komponenten die Seitenwandung des Reaktionsraumes verhältnismäßig kalt bleibt.und infolgedessen auch nur ein verhältnismäßig geringes Temperaturgefälle von der Innenwand des Reaktionsgefäßes zum umgebenden Raum besteht.

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Sind mehr als zwei Reaktionsteilnehmer an der Reaktion beteiligt, so kann auch für die dritte und die weiteren Komponenten eine getrennte Zuführung, etwa durch die Zuleitung D, vorgesehen werden. Es besteht ferner die Möglichkeit, das axiale Abfübrungsrohr C in einem weiteren Abstand innerhalb des Reaktionsraumes mit einem am Gefäßdeckel angeschweißten konzentrischen Rohr größeren Durchmessers (angedeutet bei E in

ίο Abb. 2) zu umgeben und die dritte Reaktionskomponente an der Innenwandung dieses Rohres über das Zuleitungsrohr F tangential in einem gewünschten Winkel einzuwirbeln. So gelingt es, einen zweiten räumlichen Wirbel zu erzeugen, der dem ersten an der Wand gleitenden Wirbel der bei A eintretenden Komponente in etwa parallel läuft und ebenfalls beim Umkehrpunkt U rückläufig wird. In der durch diesen Buchstaben gekennzeichneten Mischungszone tritt dann die spontane Vermischung aller von F, A und B zugeführten Komponenten ein, woran sich auf der Strecke von B nach C der Ablauf der Reaktion anschließt.

Durch entsprechende Wahl des Neigungswinkels des kegelförmigen Reaktionsraumes kann der Weg von B nach C, der die Reaktionsdauer bestimmt, verlängert werden, ohne daß dabei die erfindungsgemäßen Vorteile des Verfahrens verlorengehen.

Das Wesen des den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahrens besteht darin, daß durch geeignete Zuführung der Reaktionsteilnehmer über getrennte Wege und die erst im Reaktionsraum vorgenommene Durchmischung der Komponenten der Reaktionsablauf in eine axiale und von der Reaktionsraumwandung möglichst weit entfernte Zone verlegt wird, so daß die bisher erforderliche Rücksichtnahme auf die Materialkonstanten der Apparaturwandung für den weitaus größten Teil der Innenfläche entfällt.

Soweit es sich um Reaktionen handelt, die zu ihrem Ablauf eines Katalysators bedürfen, kann der Katalysator in Form eines Gitters oder Netzes dicht oberhalb des Umkehrpunktes U, also in der Mischzone angeordnet werden, wo die auf verschiedenen Wegen zugeführten Reaktionskomponenten aufeinandertreffen. Möglich ist auch die Anordnung des Katalysators auf einem zylindrischen Stutzen, der axial auf der Strecke von U nach C im Reaktionsgefäß angeordnet ist.

Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen einige Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens.

Beispiel 1
Erzeugung von überhitztem Wasserdampf

gewünschter Temperatur

Bei A in der Apparatur der Abb. 1 wird Niederdruckdampf in den Reaktionsraum eingewirbelt, während gleichzeitig über B und D Wasserstoff und Sauerstoff getrennt zugeführt werden. Bringt man das Knallgas-Dampf-Gemisch in der Nähe des Umkehrpunktes U beispielsweise mit einer elektrisch beheizten Glühkerze zur Entzündung, so bildet sich H₂O, und aus dem Ableitungsrohre tritt ein überhitzter Wasserdampf aus, dessen Temperatur durch das jeweils gewählte Verhältnis von Niederdruckdampf zu Knallgas nach Wunsch eingestellt werden kann.

Es ist auch möglich, den einen Reaktionspartner, z. B. den Wasserstoff, vorher mit dem Niederdruckdampf zu misdhen und bei B den anderen Reaktionspartner, z. B. Sauerstoff, durch eine Filterkerze, z. B. aus Carborundum, einströmen zu lassen. Der nach dem Verfahren erzeugte Wasserdampf kann, als Wärmeträgergas für vielerlei endotherme Reaktionen, z. B. Crackreaktionen, dienen.

Die beschriebene Gewinnung von überhitztem Dampf hat zunächst den Vorteil des Fortfalls teueren temperaturbeständigen Materials für die Konstruktion des Brennerraumes. Außerdem gestattet die Variation des Dampf-Knallgas-Verhältnisses eine nahezu trägheitslose Regelung der Dampftemperatur. Die Wärmeausbeute liegt infolge der durch die gewählte Konstruktion erzielten Verringerung der Wärmeverluste nach außen, bezogen auf eingesetzten Wasserstoff, bei 90 bis 95 °/o der Theorie. Dieser Wert wird bei außenbeheizten Systemen auch nicht annähernd erreicht.

Beispiel 2

Erzeugung von Chlorwasserstoff
aus Chlor und Wasserstoff

In einer Apparatur gemäß Abb. 1, jedoch ohne die Zuleitung D, werden Wasserstoff und Chlor über die Zuleitungen A und B getrennt zugeführt. Die Zündung wird zweckmäßig durch einen seitlieh am Reaktionsgefäß angebrachten Stutzen bewirkt, der mit einem Quarzfenster verschlossen ist, durch das UV-Licht in Richtung auf die Mischungszone oberhalb U eingestrahlt wird.

Das Zuleitungsrohr für das Chlor muß aus einem Werkstoff hergestellt werden, der bei schwach erhöhten Temperaturen gegenüber Chlor beständig ist und keine Bildung von FeCl₃ zuläßt. Außerdem muß das Ableitungsrohr C aus einem Material bestehen oder mit einem solchen ausgekleidet sein, _1Oj das bei der Austrittstemperatur gegenüber Chlorwasserstoff beständig ist. Besonders bewährt hat sich hierfür Elektrographit.

Die Reaktion kommt unter der Wirkung der UV-Strahlung sofort in Gang, und der gebildete Chlorwasserstoff tritt bei C mit hoher Temperatur aus. Der Wärmeinhalt des austretenden Chlorwasserstoffs kann in an sich bekannter Weise zur Dampferzeugung nutzbar gemacht werden.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur Durchführung exothermer chemischer Reaktionen zwischen Gasen oder Gasen und Flüssigkeiten in einer Zyklonströmung, dadurch gekennzeichnet, daß man eine gasförmige Komponente in Richtung einer Schraubentangente in einen zyklonartig ausgebildeten Reaktor an der Reaktorbasis mit einer Strömungsgeschwindigkeit einführt, welche einen an der Wand des Reaktors gleiten-

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den Wirbel ausbildet, und gleichzeitig axial oder tangential an der Spitze den oder die anderen Reaktions teilnehmer einzeln oder vorgemischt zuführt und die Reaktionsprodukte an ■ 5 der Basis des Reaktors durch ein axiales Rohr

abführt.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der für das Wandmaterial des Reaktionsraumes am wenigsten aggressive

ίο Reaktionsteilnehmer von der Basis.her in Form

einer Schraubentangente eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Spitze zugeführte Reaktionsteilnehmer durch eine poröse Kerze eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Reaktionspartner entweder im Überschuß oder in Verdünnung mit einem inerten Gas eingeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von überhitztem Wasserdampf Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion gebracht werden, wobei die Temperatur durch Zufuhr von Wasserdampf geregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Chlorwasserstoff Wasserstoff tangential an der Zyklonbasis zugeleitet und Chlor in der Nähe. des Umkehrpunktes des Wirbels an der Zyklonspitze zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 489 115, 412320, 091;

schweizerische Patentschrift Nr. 274 514; belgische Patentschrift Nr. 506697; USA.-Patentschriften Nr. 2 400 459, 2 536 402.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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