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Publication number: DEA0021834MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 31. Dezember 1954 Bekanntgemacht am 6. Dezember 1956Filing date: December 31, 1954. Advertised on December 6, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

KLASSE 12 g GRUPPE INTERNAT. KLASSE B 01 j CLASS 12 g GROUP INTERNAT. CLASS B 01 j

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ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor

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.Numerous chemical reactions are known which are highly exothermic and therefore special technical precautions are required in order to master the processes technically. Lots of these Reactions such as B. the union of chlorine and hydrogen to form hydrogen chloride, the reaction of oxygen and hydrogen with the formation of water vapor or the chlorination of hydrocarbons to the various chlorinated hydrocarbons are so strongly exothermic that they are partially expire under flames. In the technical implementation of such reactions So far, the material of the walls of the reaction vessel has been of decisive importance to. The thorough mixing required to achieve full conversion Attempts have usually been made to achieve the reaction components by removing the reaction components mixes in a suitably shaped nozzle (burner) and the reaction takes place in the open air Space in front of this nozzle in the form of a flame can go ahead. The walls of the The reaction chamber can be kept cold by cooling it from the outside.

Diese Arbeitsweise besitzt die grundsätzlichen Nachteile,This way of working has the fundamental disadvantages

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ι. daß die an das Kühlmedium abgegebene Wärme sich in der Regel nicht nutzbringend wiedergewinnen läßt; ι. that the heat given off to the cooling medium cannot usually be recovered in a profitable manner;

2. daß zur Erzielung des für die wirksame2. that to achieve the effective

" 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;"5 Mixing of those generally taken from gasometers with only a low gasometer pressure Re ac ti on s participants required pre-pressure mostly blowers or compressors are used Need to become;

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.ίο 3. that to avoid kicking back the flame with the usual burner shapes always requires a special effort. The disadvantages mentioned are avoided by the exothermic chemisehen according to the invention Reactions are carried out in such a way that a reaction component, expediently the one in The least aggressive in relation to the wall material of the reaction space, in the form of a screw tangent enter from or in the vicinity of the base of a reaction space designed in the manner of a cyclone with a flow velocity which leaves a spatial vortex sliding on the wall of the reaction chamber. '' forms while at the same time at the opposite end of the reaction chamber, so in the Vicinity. the cyclone tip, axially or tangentially, the other reactant or participants individually or mixed can occur, so that the exothermic reaction in the mixing zone in the axial space of the Reaction vessel runs off and the reaction products formed are discharged axially upwards will. The position of the reactor in space is not the position shown in FIGS. 1 and 2 limited. This can also be operated lying down, at an angle or standing on the base.

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.This type of feed of the reactants results in a very effective shielding of the main part of the inner wall of the reaction space against the amounts of heat generated during the reaction and the corrosive influences of the reaction product or the more aggressive reaction component. The peculiarity of the flow produced according to the invention also means that only a low pressure prevails at the reversal point of the tangentially whirled-in reaction component U. Of from below, B, introduced second reactants therefore needs either little or no form, -aktionspartner to ensure in the mixing zone above the Umke'hrpunktes U to an intensive mixing of the two Re. ₇ The reaction then takes place in the swirling central flow essentially on the path BC , with constant further mixing of the components taking place. The radiant heat released by the reaction is not transferred directly to the wall of the reaction space, but first to the flow of the reaction component tangentially whirled in at A , which heats it up on its way from A to U , in such a way that it is its highest Temperature reached where above the reversal point U in the mixing zone its whirling mixing with that of. B fed in and optionally cold reaction component takes place. This ensures that the mixture is always and reliably ignited and that the heat generated during the reaction also benefits the adiabatics of the exothermic process as a whole. The heat generated in this way is then contained in the flow of the reaction product discharged at the top of the reaction space C and can consequently be almost completely recovered later, for example in a waste heat boiler.

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.If a particular reaction requires a reaction temperature that is below that temperature is, which can be achieved by the adiabatic process, the required temperature can be adjust by one of the reaction components either in large excess or else in dilution with an inert gas or steam that or the at the The reaction does not take part, but is capable of absorbing part of the heat of reaction Adjust the reaction temperature to the desired level. In both embodiments, the all heat released by the reaction contained in the flow of the discharged reaction products and can be recovered economically.

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.Fig. Ι and 2 show reaction vessels in which the method according to the invention can be carried out, for example, which essentially consist of an upturned cone which axially below has a supply line B for reaction participants, and above a discharge line C for the reaction products is also equipped with one or more supply lines A, D, F leading tangentially and at a desired angle in the vicinity of the top into the interior of the vessel.

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.The drawn. Helical line shows the way in which the reaction components are swirled in. The turning point of the vortex is marked U , above which the mixing and reaction zone is located.

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.In the devices shown in the figure, z. B. at an exit temperature of the reaction products of 1100 ⁰ C only the discharge pipe at C to be made of temperature-resistant and corrosion-resistant material, while the entire rest of the body of the reaction chamber can be made of ordinary sheet iron. At most, it is also advisable to also build the area around the mixing and reaction zone near point U from more resistant material.

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.The isolation of the apparatus is also extremely simple, because of the chosen flow path of the whirled-in components the side wall of the reaction chamber proportionally remains cold and, as a result, only a relatively small temperature gradient of the inner wall of the reaction vessel to the surrounding space.

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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 inIf more than two reaction participants are involved in the reaction, a separate feed, for example through feed line D, can also be provided for the third and the further components. There is also the possibility of connecting the axial discharge tube C at a further distance within the reaction space with a concentric tube of larger diameter welded to the vessel cover (indicated at 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.ίο Fig. 2) and to swirl the third reaction component on the inner wall of this pipe via the supply pipe F tangentially at a desired angle. In this way it is possible to generate a second spatial vortex, which runs roughly parallel to the first vortex sliding on the wall of the component entering at A and which also declines at the reversal point U. In the mixing zone identified by this letter, spontaneous mixing of all components supplied by F, A and B then occurs, followed by the course of the reaction on the route from B to C.

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.By appropriate choice of the angle of inclination of the conical reaction space, the path from B to C, which determines the reaction time, can be lengthened without the advantages of the process according to the invention being lost.

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.The essence of the process forming the subject of the invention is that by suitable supply of the reactants via separate routes and only in the reaction space carried out mixing of the components of the reaction process in an axial and from the Reaction chamber wall as far away zone as possible is relocated, so that the previously required Consideration of the material constants of the apparatus wall for the vast majority the inner surface is omitted.

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.As far as reactions are concerned that require a catalyst to proceed, the catalyst can be arranged in the form of a lattice or network just above the reversal point U, i.e. in the mixing zone where the reaction components introduced in different ways meet. It is also possible to arrange the catalyst on a cylindrical socket which is arranged axially on the route from U to C in the reaction vessel.

Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen einige Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens.The following examples illustrate some possible uses of the method.

Beispiel 1
Erzeugung von überhitztem Wasserdampfexample 1
Generation of superheated steam

gewünschter Temperaturdesired temperature

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.At A in the apparatus of Fig. 1, low-pressure steam is whirled into the reaction space, while hydrogen and oxygen are fed in separately via B and D at the same time. If the oxyhydrogen vapor mixture is ignited near the reversal point U, for example with an electrically heated glow plug, H ₂ O is formed and superheated water vapor emerges from the discharge pipe, the temperature of which is increased by the ratio of low-pressure vapor selected in each case Oxyhydrogen can be adjusted as desired.

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.It is also possible to use one reactant, e.g. B. to misdhen the hydrogen beforehand with the low-pressure steam and at B the other reactant, z. B. oxygen, through a filter candle, e.g. B. from carborundum to flow in. The water vapor generated by the process can be used as a heat carrier gas for many endothermic reactions, e.g. B. cracking reactions serve.

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.The described extraction of superheated steam initially has the advantage of being eliminated expensive temperature-resistant material for the construction of the burner chamber. Also permitted the variation of the steam / oxyhydrogen ratio allows for an almost inertia-free regulation of the Steam temperature. The heat yield is due to the construction achieved Reduction of the heat losses to the outside, based on the hydrogen used, at 90 to 95 per cent of theory. This value is not even close to being reached with externally heated systems.

Example 2

Erzeugung von Chlorwasserstoff
aus Chlor und WasserstoffGeneration of hydrogen chloride
from chlorine and hydrogen

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.In an apparatus according to Fig. 1, but without feed line D, hydrogen and chlorine are fed in separately via feed lines A and B. The ignition is expediently brought about by a socket attached to the side of the reaction vessel, which is closed with a quartz window through which UV light is radiated in the direction of the mixing zone above U.

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.The feed pipe for the chlorine must be made of a material that is resistant to chlorine at slightly elevated temperatures and does not allow the formation of FeCl ₃ . In addition, the discharge pipe C there must be of a material or be lined with such a _1O j which is stable at the outlet temperature relative to hydrogen chloride. Electrographite has proven particularly useful for this.

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.The reaction starts immediately under the action of UV radiation, and the hydrogen chloride formed is released at a high temperature at C. The heat content of the exiting hydrogen chloride can be used to generate steam in a manner known per se.

Claims

Patent claims:

i. Process for performing exothermic chemical reactions between gases or Gases and liquids in a cyclonic flow, characterized in that one a gaseous component in the direction of a screw tangent into a cyclone-like one Introduces the reactor to the reactor base at a flow rate which allows a slide on the wall of the reactor.

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the vortex forms, and at the same time axially or tangentially at the tip or the other reaction participants individually or premixed and supplies the reaction products ■ 5 the base of the reactor through an axial tube

discharges.

2. The method according to claim i, characterized in that that the least aggressive for the wall material of the reaction chamber

ίο respondents from the ground up in shape

a screw tangent is inserted.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the reactant fed at the tip is introduced through a porous candle.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that one of the reactants is introduced either in excess or in dilution with an inert gas.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the formation of overheated Water vapor hydrogen and oxygen are made to react, the temperature being increased by the addition of water vapor is regulated.

6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that for the generation of hydrogen chloride Hydrogen fed tangentially at the cyclone base and chlorine nearby. of the turning point of the vortex at the tip of the cyclone.

Considered publications: German Patent Specifications No. 489 115, 412320, 091;

Swiss Patent No. 274 514; Belgian Patent No. 506697; U.S. Patent Nos. 2,400,459, 2,536,402.

1 sheet of drawings