EP1820567A1 - Injektor mit einstellbarem Druckverlust - Google Patents

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EP1820567A1
EP1820567A1 EP06007146A EP06007146A EP1820567A1 EP 1820567 A1 EP1820567 A1 EP 1820567A1 EP 06007146 A EP06007146 A EP 06007146A EP 06007146 A EP06007146 A EP 06007146A EP 1820567 A1 EP1820567 A1 EP 1820567A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
injector
throttle body
chamber
pressure loss
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06007146A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Rudolf Himmen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP1820567A1 publication Critical patent/EP1820567A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
    • F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
    • F28C3/06—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour
    • F28C3/08—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour with change of state, e.g. absorption, evaporation, condensation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
    • B01F25/3132—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit by using two or more injector devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
    • B01F25/3133—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit characterised by the specific design of the injector
    • B01F25/31331—Perforated, multi-opening, with a plurality of holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/80—Forming a predetermined ratio of the substances to be mixed
    • B01F35/83—Forming a predetermined ratio of the substances to be mixed by controlling the ratio of two or more flows, e.g. using flow sensing or flow controlling devices
    • B01F35/833—Flow control by valves, e.g. opening intermittently
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Definitions

  • the invention relates to an injector for injecting a first fluid into a second fluid which flows in a main conduit, with an injector chamber having at least one supply for the first fluid and at least one outlet opening for the first fluid, wherein the injector at least partially by a Connecting piece can be introduced into the main line. Further, the invention relates to a method for injecting a first fluid into a second fluid, wherein a flow of the second fluid is guided in a main line and the first fluid via a feed into an injector and out through at least one outlet opening in the injector into the main line is being driven.
  • oxygen-enriched air is used as the oxidant.
  • the oxygen is injected for this purpose by means of an injector into the air stream, whereby a uniform distribution of the oxygen in the air flow must be achieved as possible. Otherwise, locally increased oxygen concentrations in the subsequent chemical reaction could lead to local temperature peaks, so-called "hot spots", which can have a negative effect on the reaction to be carried out or even lead to damage to the reactor.
  • a main gas of a first gas flowing in a duct section is supplied with a second gas via a supply line.
  • the discharge end of the second gas supply line extends coaxially with the axis of the passage portion and is provided with radially outwardly directed discharge passages.
  • baffles are provided so that a rotational movement of the introduced second gas is generated about the axis of the channel portion.
  • Catalytic fixed bed reactors are also partially cooled by direct cooling with a flow of coolant.
  • the coolant flow itself is cooled in this case with liquid nitrogen.
  • the liquid nitrogen is injected at a suitable point in the pipeline in which the coolant flow flows.
  • an injector one uses a bottom closed pipe section, which is inserted into a connecting piece of the pipe for the coolant flow. From laterally mounted outlet openings of the liquid nitrogen is injected into the coolant flow counter to its flow direction.
  • an injector for injecting a first fluid into a second fluid flowing in a main conduit, the injector comprising an injector chamber having at least one feed for the first fluid and at least one outlet for the first fluid, and wherein the injector chamber is at least partially insertable into the main conduit through a spigot, and characterized in that means are provided to alter the pressure loss of the first fluid between the supply and the outlet.
  • the method according to the invention for injecting a first fluid into a second fluid wherein a flow of the second fluid is guided in a main conduit and the first fluid is guided via an inlet into an injector chamber and is sprayed through at least one outlet opening into the main conduit, characterized in that the pressure loss of the first fluid in the injector chamber is adjusted.
  • the pressure loss of the first fluid in the injector is directly influenced.
  • the first fluid is introduced via a feed into the injector chamber.
  • the injector chamber has one or more outlet openings from which the first fluid can exit and be injected into the second fluid.
  • the injector is preferably introduced into the main line transporting the second fluid in such a way that the outlet openings are located in the flow of the second fluid.
  • injector chamber is understood to mean any cavity in the interior of the gas injector which can serve for receiving and passing on a fluid. Often, this injector is designed as a cylindrical or rectangular pipe section.
  • Means are provided in the injector chamber for influencing the pressure loss of the first fluid flowing through the injector chamber. These means are adjustable so that the pressure loss that the first fluid suffers can be changed.
  • a throttle body is adjustably arranged in the injector chamber to change the pressure loss of the first fluid between the supply and the outlet opening.
  • the throttle body and / or the interior of the injector chamber are designed such that the flow path for the first fluid changes by adjusting the position of the throttle body within the injector chamber, in particular that the flow path is narrowed or that the flow is deflected.
  • the individual throttle body can be adjusted either together, in subgroups or in each case separately.
  • the pressure loss for the partial flows of the first fluid, which flow through outlet openings at the edge of the injector be set differently than for the partial streams which flow through central outlet openings.
  • the possibility of selectively throttling partial flows of the first fluid to different extents makes it possible to set defined outflow characteristics.
  • the shape and dimensions of the throttle body or bodies may depend on the number, shape, size and / or arrangement of the outlet openings and / or the injector chamber be adjusted.
  • the type of first fluid to be injected for example its viscosity, can also be considered in the design of the throttle body and / or the injector chamber.
  • a part of the injector is designed as a nozzle prechamber.
  • the throttle body is adjustably arranged in the injector chamber so that the free flow cross section between the nozzle prechamber and the rest of the injector chamber can be varied. By adjusting the throttle body, the free flow cross section can be increased or decreased, whereby the pressure loss for the first fluid flowing through this flow cross section is reduced or increased.
  • the throttle body in combination with the nozzle pre-chamber acts like a diaphragm.
  • a part of the injector is performed with a smaller cross-section and used as a nozzle prechamber.
  • the one or more throttle body favorably have an at least partially conical outer shape in this case.
  • the throttle body is designed as a perforated bellows.
  • the bellows is introduced into the injector chamber such that a portion of the flow path for the first fluid passes through the perforations. Depending on how far the bellows is pulled apart or compressed, more or less of the perforations in the bellows are released and the first fluid suffers a more or less strong pressure loss when flowing through.
  • the throttle body so that the free flow cross section of the outlet openings is adjustable.
  • the pressure loss for the first fluid is variable in that the outlet is prevented or impeded by a part of the outlet openings.
  • the invention is particularly suitable for injecting a technical gas, preferably nitrogen, oxygen, argon or carbon dioxide, into a second fluid stream.
  • a technical gas preferably nitrogen, oxygen, argon or carbon dioxide
  • the invention has proven particularly suitable for admixing a cryogenic gas stream into a second fluid stream.
  • Specific examples are the injection of oxygen into an air stream to produce oxygen-enriched air or the injection of a Liquid nitrogen stream in gaseous nitrogen.
  • the latter can be used for example for rapid cooling of reactors, such as catalytic fixed bed reactors.
  • the volume flows which can be treated according to the invention are basically not limited.
  • a preferred application is, for example, the injection of a first fluid stream with a volume flow of several 1000 Nm 3 / h.
  • the first fluid is preferably sprayed into the main line at a pressure of more than 20 bar, particularly preferably more than 35 bar, very particularly preferably more than 50 bar.
  • An essential feature of the invention is that the pressure loss for the first fluid can be adjusted directly from the outside.
  • the adjustment can be done manually or via an example electric or pneumatic drive. In this way, even with a changed volume flow of the first fluid equal outflow conditions can be maintained.
  • a liquid cryogenic gas into a second fluid stream for example, a good distribution and rapid evaporation of the cryogenic gas in the second fluid stream is always ensured to a high degree.
  • the injector according to the invention is simple and robust and can be installed due to its compact design in conventional connecting pieces.
  • the drive of the throttle body can be done in a conventional manner. To a drive also several, possibly also different types of injectors can be coupled.
  • the pressure loss is adapted to the volume flow of the first fluid.
  • This adaptation is particularly preferably carried out automatically. The use of appropriate measurement technology thus allows a strong automation of the injection.
  • FIG. 1 shows an injector according to the invention for injecting liquid nitrogen into a coolant gas line 1.
  • the cooling gas line 1 is provided with a connecting piece 2 with a connecting flange 3.
  • the gas injector has an injection chamber 4, on the outer periphery of which a flange 5 is attached.
  • the gas injector is partially in the connecting piece. 2 inserted and fastened by means of the flange 5 to the connecting flange 3.
  • the injector 4 protrudes in this position into the cooling gas line. 1
  • the spray head 6 connects.
  • the spray head 6 is designed with a smaller internal cross-section than the injector chamber 4.
  • the outlet openings 8 are all located on the same side of the spray head 6.
  • the gas injector is inserted into the connecting piece 2 in such a way that the outlet openings 8 of the spray head 6 counter to the flow direction 9 of the spray head 6 are aligned in the cooling gas line 1 flowing gas. Furthermore, the outlet openings 8 are arranged uniformly around the center axis 10 of the cooling gas line 1.
  • FIG. 2 shows a view, rotated by 90 °, of the spray head 6 with the nozzle prechamber 7.
  • the injector 4 is provided with a connection 11.
  • a throttle body 12 which can be moved via a pull rod 13 in the vertical direction.
  • the pull rod 13 pierces the upper cover 14 of the injector chamber 4 and is connected to a drive 15 arranged outside the injector chamber 4.
  • the drive 15 is usually carried out manually, electrically or pneumatically.
  • the injector shown in Figures 1 and 2 is used for injecting liquid nitrogen into a cooling gas stream, for example a stream of gaseous nitrogen.
  • a liquid nitrogen pump is connected to port 11.
  • the supplied liquid nitrogen flows via the connection 11 into the injector chamber 4 and the nozzle prechamber 7 and through the outlet openings 8 into the cooling gas flow 9 counter to its flow direction 9.
  • the pressure drop in the injector and thus the outflow behavior of the liquid nitrogen is directly influenced by the position of the throttle body 12 in or above the nozzle prechamber 7 of the spray head 6.
  • the throttle body 12 acts in combination with the nozzle prechamber 7 as a diaphragm, which is variable in that the throttle body 12 is moved by means of the drive 15 up or down. In one end position, the gap between the throttle body 12 and nozzle prechamber 7 is closed, in the other end position, the nozzle prechamber 7 is completely open with respect to the rest of the injector chamber 4. In Figure 1, an intermediate position is shown.
  • the pressure loss in the injector can be adapted to the changed nitrogen supply by adjusting the throttle body 12 such that the outflow behavior in the Essentially remains the same. It has also proved to be favorable to control the throttle body 12 automatically in response to the nitrogen supply.
  • the injector shown in Figures 1 and 2 is used to supply liquid nitrogen at a pressure of 50 bar or more in a cooling gas line 1, in which a pressure between 35 and 45 bar prevails.
  • a pressure between 35 and 45 bar prevails.
  • the temperature of a gaseous nitrogen stream of 180 ° C to 40 ° C bring.
  • the volume flow of liquid nitrogen can be varied with the injector, for example, between 1000 Nm 3 / h and 10000 Nm 3 / h, with a constant flow behavior is achieved from the outlet openings by appropriate adjustment of the pressure loss.
  • the injector according to the invention is also suitable for injecting other fluids, in particular technical and / or cryogenic gases, into a second fluid flow.
  • the injector has also proven itself for adding oxygen to an air stream.
  • FIGS 3 and 4 show an alternative embodiment of the injector according to the invention. In all figures, the same elements are provided with the same reference numerals.
  • FIGS. 3 and 4 differs from that according to FIGS. 1 and 2 in that, instead of a nozzle pre-chamber 12, a plurality of nozzle pre-chambers 20 are provided.
  • Each nozzle pre-chamber 20 is assigned a throttle body 21, wherein all throttle body 21 can be adjusted via a common drive 15.
  • FIGS. 5 and 6 show a further embodiment of the invention.
  • the throttle body is formed in this case by a perforated bellows 30.
  • the bellows 30 is provided with numerous openings 31 through which the liquid nitrogen from the injector chamber 4 can penetrate into the interior of the bellows 30 and flow into the nozzle prechamber 7.
  • the openings 31 are more and more released and the pressure loss for the nitrogen flowing into the interior of the bellows 30 decreases.
  • the pressure loss for the liquid nitrogen can be varied.
  • FIGS. 7 and 8 a variant of the invention is shown without a separate nozzle prechamber.
  • the injector chamber 4 extends as far as the spray head 6, that is to say the spray head 6 is formed by the lower part of the injector chamber 4.
  • the outlet openings 8 for the liquid nitrogen are arranged in a wall of the injector chamber 4.
  • the throttle body 40 is formed by a vertically displaceable within the injector 4 tube segment. Depending on the position of the tube segment 40, a part of the outlet openings 8 is completely or partially covered. Depending on the vertical position of the tube segment 40, the escape of liquid nitrogen through the covered outlet openings 8 is either completely prevented or made more difficult, that is, the pressure loss for the liquid nitrogen increases.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, wobei ein Strom des zweiten Fluids in einer Hauptleitung (1) geführt und das erste Fluid über eine Zuführung (11) in eine Injektorkammer (4) geführt und durch mindestens eine Austrittsöffnung (8) in die Hauptleitung (1) gedüst wird. Erfindungsgemäß wird der Druckverlust des ersten Fluids in der Injektorkammer (4) verstellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, welches in einer Hauptleitung strömt, mit einer Injektorkammer, welche zumindest eine Zuführung für das erste Fluid und mindestens eine Austrittsöffnung für das erste Fluid besitzt, wobei der Injektor zumindest teilweise durch einen Anschlussstutzen in die Hauptleitung einbringbar ist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, wobei ein Strom des zweiten Fluids in einer Hauptleitung geführt und das erste Fluid über eine Zuführung in eine Injektorkammer geführt und durch mindestens eine Austrittsöffnung in der Injektorkammer in die Hauptleitung gedüst wird.
  • Bei vielen Oxidationsprozessen in chemischen Reaktoren wird mit Sauerstoff angereicherte Luft als Oxidationsmittel eingesetzt. Der Sauerstoff wird hierzu mittels eines Injektors in den Luftstrom eingedüst, wobei eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs in dem Luftstrom erreicht werden muss. Anderenfalls könnten lokal erhöhte Sauerstoffkonzentrationen bei der anschließenden chemischen Reaktion zu lokalen Temperaturüberhöhungen, so genannten "hot spots", führen, welche sich negativ auf die durchzuführende Reaktion auswirken können oder gar zu Schäden am Reaktor führen können.
  • In der EP 0 474 524 B1 wird eine Vorrichtung zum Mischen zweier Gasströme vorgeschlagen. Einem in einem Kanalabschnitt strömenden Hauptstrom eines ersten Gases wird über eine Zuleitung ein zweites Gas zugeführt. Das Ausstoßende der Zuleitung für das zweite Gas erstreckt sich koaxial zu der Achse des Kanalabschnitts und ist mit radial nach außen gerichteten Austrittskanälen versehen. Ferner sind Umlenkbleche vorgesehen, so dass eine Rotationsbewegung des eingeleiteten zweiten Gases um die Achse des Kanalabschnitts erzeugt wird.
  • Katalytische Festbettreaktoren werden teilweise auch durch direkte Kühlung mit einem Kühlmittelstrom abgekühlt. Der Kühlmittelstrom selbst wird hierbei mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Mit Hilfe eines Injektors wird an geeigneter Stelle in die Rohrleitung, in der der Kühlmittelstrom fließt, der flüssige Stickstoff eingedüst. Als Injektor verwendet man ein unten geschlossenes Rohrstück, welches in einen Anschlussstutzen der Rohrleitung für den Kühlmittelstrom eingeführt wird. Aus seitlich angebrachten Austrittsöffnungen wird der flüssige Stickstoff in den Kühlmittelstrom entgegen dessen Strömungsrichtung eingedüst.
  • Im Verlauf des Abkühlungsprozesses des Festbettreaktors ist es in der Regel erforderlich, den Volumenstrom an flüssigem Stickstoff zu variieren, das heißt, in bestimmten Phasen wird mehr, in anderen Phasen weniger Stickstoff zugeführt. Da die Anzahl und die Größe der Austrittsöffnungen des Injektors feststehen, kommt es bei Änderungen des Stickstoff-Volumenstroms zwangsläufig zu Druckänderungen und damit zu Veränderungen des Ausströmverhaltens. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass nicht verdampfter, flüssiger Stickstoff an die Wandung der Rohrleitung gelangt und sich "cold spots" bilden, welche zu Schäden an der Rohrleitung führen können.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die die Injektion eines ersten Fluids in ein zweites Fluid erlauben, so dass sich bei Änderungen des Volumenstroms an erstem Fluid dessen Ausströmverhalten nicht oder nur wenig ändert.
  • Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch einen Injektor zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, welches in einer Hauptleitung strömt, gelöst, wobei der Injektor eine Injektorkammer umfasst, welche zumindest eine Zuführung für das erste Fluid und mindestens eine Austrittsöffnung für das erste Fluid besitzt, und wobei die Injektorkammer zumindest teilweise durch einen Anschlussstutzen in die Hauptleitung einbringbar ist, und welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass Mittel vorgesehen sind, um den Druckverlust des ersten Fluids zwischen der Zuführung und der Austrittsöffnung zu verändern.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, wobei ein Strom des zweiten Fluids in einer Hauptleitung geführt und das erste Fluid über eine Zuführung in eine Injektorkammer geführt und durch mindestens eine Austrittsöffnung in die Hauptleitung gedüst wird, zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckverlust des ersten Fluids in der Injektorkammer verstellt wird.
  • Erfindungsgemäß wird der Druckverlust des ersten Fluids im Injektor direkt beeinflusst. Das erste Fluid wird über eine Zuführung in die Injektorkammer eingeleitet. Die Injektorkammer besitzt ein oder mehrere Austrittsöffnungen, aus denen das erste Fluid austreten und in das zweite Fluid eingedüst werden kann. Der Injektor wird hierzu vorzugsweise so in die das zweite Fluid transportierende Hauptleitung eingebracht, dass sich die Austrittsöffnungen in dem Strom des zweiten Fluids befinden.
  • Unter dem Begriff "Injektorkammer" wird jedweder Hohlraum im Inneren des Gasinjektors verstanden, der zur Aufnahme und Weiterleitung eines Fluids dienen kann. Häufig ist diese Injektorkammer als zylindrischer oder rechteckiger Rohrabschnitt ausgeführt.
  • In der Injektorkammer sind Mittel vorgesehen, die den Druckverlust des durch die Injektorkammer strömenden ersten Fluids beeinflussen. Diese Mittel sind verstellbar, so dass der Druckverlust, den das erste Fluid erleidet, geändert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Injektorkammer ein Drosselkörper verstellbar angeordnet, um den Druckverlust des ersten Fluids zwischen der Zuführung und der Austrittsöffnung zu verändern. Der Drosselkörper und / oder das Innere der Injektorkammer sind so ausgestaltet, dass sich durch Verstellen der Lage des Drosselkörpers innerhalb der Injektorkammer der Strömungsweg für das erste Fluid ändert, insbesondere dass der Strömungsweg verengt wird oder dass die Strömung umgelenkt wird.
  • Es ist ferner möglich, mehr als einen Drosselkörper in der Injektorkammer vorzusehen. In diesem Fall können die einzelnen Drosselkörper entweder gemeinsam, in Teilgruppen oder jeweils separat verstellt werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel der Druckverlust für die Teilströme des ersten Fluids, die durch Austrittsöffnungen am Rande des Injektors strömen, anders eingestellt werden als für die Teilströme, die zentrale Austrittsöffnungen durchströmen. Die Möglichkeit, gezielt Teilströme des ersten Fluids unterschiedlich stark zu drosseln, erlaubt es, definierte Ausströmcharakteristiken einzustellen.
  • Form und Abmessungen des oder der Drosselkörper können an die Anzahl, Form, Größe und/oder Anordnung der Austrittsöffnungen und/oder der Injektorkammer angepasst werden. Auch die Art des einzudüsenden ersten Fluids, beispielsweise dessen Viskosität, kann bei der Auslegung des Drosselkörpers und / oder der Injektorkammer in Betracht gezogen werden.
  • Bevorzugt ist ein Teil der Injektorkammer als Düsenvorkammer ausgebildet. Der Drosselkörper ist so in der Injektorkammer verstellbar angeordnet, dass der freie Strömungsquerschnitt zwischen der Düsenvorkammer und der restlichen Injektorkammer variiert werden kann. Durch Verstellung des Drosselkörpers kann der freie Strömungsquerschnitt vergrößert oder verkleinert werden, wodurch der Druckverlust für das durch diesen Strömungsquerschnitt strömende erste Fluid verringert bzw. erhöht wird. Der Drosselkörper in Kombination mit der Düsenvorkammer wirkt dabei wie eine Blende.
  • Vorzugsweise wird ein Teil der Injektorkammer mit einem geringeren Querschnitt ausgeführt und als Düsenvorkammer benutzt. Der oder die Drosselkörper besitzen in diesem Fall günstigerweise eine zumindest teilweise konisch verlaufende Außenform.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drosselkörper als perforierter Faltenbalg ausgebildet. Der Faltenbalg wird so in die Injektorkammer eingebracht, dass ein Teil des Strömungswegs für das erste Fluid durch die Perforationen hindurch verläuft. Je nachdem wie weit der Faltenbalg auseinandergezogen beziehungsweise zusammengedrückt ist, werden mehr oder weniger der Perforationen in dem Faltenbalg frei und das erste Fluid erleidet beim Durchströmen einen mehr oder weniger starken Druckverlust.
  • Es hat sich auch als günstig erwiesen, den Drosselkörper so anzuordnen, dass der freie Strömungsquerschnitt der Austrittsöffnungen verstellbar ist. In diesem Fall wird der Druckverlust für das erste Fluid dadurch variabel, dass der Austritt durch einen Teil der Austrittsöffnungen verhindert oder erschwert wird.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Eindüsen eines technischen Gases, bevorzugt Stickstoff, Sauerstoff, Argon oder Kohlendioxid, in einen zweiten Fluidstrom. Besonders bewährt hat sich die Erfindung zum Zumischen eines kryogenen Gasstroms in einen zweiten Fluidstrom. Spezielle Beispiele sind das Einsprühen von Sauerstoff in einen Luftstrom zur Erzeugung sauerstoffangereicherter Luft oder das Eindüsen eines Flüssigstickstoffstroms in gasförmigen Stickstoff. Letzterer kann beispielsweise zur schnellen Abkühlung von Reaktoren, wie zum Beispiel katalytischen Festbettreaktoren, genutzt werden.
  • Die Volumenströme, die erfindungsgemäß behandelt werden können, sind grundsätzlich nicht beschränkt. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet ist beispielsweise das Eindüsen eines ersten Fluidstroms mit einem Volumenstrom von mehreren 1000 Nm3/h.
  • Ein wichtiger Anwendungsbereich ist das Eindüsen eines ersten Fluids in einen zweiten Fluidstrom, der unter erhöhtem Druck strömt. Bevorzugt wird das erste Fluid mit einem Druck von mehr als 20 bar, besonders bevorzugt mehr als 35 bar, ganz besonders bevorzugt mehr als 50 bar in die Hauptleitung gedüst.
  • Zur Anpassung an unterschiedliche Volumenströme und Druckverhältnisse bestehen zahlreiche Variationsmöglichkeiten:
    • Außendurchmesser und Länge des Injektors
    • Anzahl, Durchmesser, Form und Anordnung der Austrittsöffnungen
    • Form und Abmessungen des Drosselkörpers
    • Form und Abmessungen der Düsenvorkammer
  • Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der Druckverlust für das erste Fluid direkt von außen verstellt werden kann. Die Verstellung kann manuell erfolgen oder über einen beispielsweise elektrischen oder pneumatischen Antrieb. Auf diese Weise können auch bei verändertem Volumenstrom an erstem Fluid gleiche Ausströmverhältnisse aufrechterhalten werden. Beim Einspeisen eines flüssigen kryogenen Gases in einen zweiten Fluidstrom wird so zum Beispiel stets eine gute Verteilung und schnelle Verdampfung des kryogenen Gases in dem zweiten Fluidstrom in hohem Maße sichergestellt.
  • Der erfindungsgemäße Injektor ist einfach und robust aufgebaut und kann aufgrund seiner kompakten Ausführung in übliche Anschlussstutzen eingebaut werden. Der Antrieb des Drosselkörpers kann auf konventionelle Art erfolgen. An einen Antrieb können auch mehrere, gegebenenfalls auch unterschiedliche Arten von Injektoren gekoppelt werden.
  • Vorzugsweise wird der Druckverlust an den Volumenstrom des ersten Fluids angepasst. Diese Anpassung wird besonders bevorzugt automatisch durchgeführt. Der Einsatz entsprechender Messtechnik erlaubt so eine starke Automatisierung der Injektion.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figur 1
    einen erfindungsgemäßen Flüssigstickstoff-Injektor,
    Figur 2
    eine um 90° gedrehte Ansicht der Düsenvorkammer des Injektors gemäß Figur 1,
    Figur 3
    eine alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Flüssigstickstoff-lnjektors,
    Figur 4
    eine um 90° gedrehte Ansicht der Düsenvorkammer des Injektors gemäß Figur 3,
    Figur 5
    eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flüssigstickstoff-Injektors,
    Figur 6
    eine um 90° gedrehte Ansicht der Düsenvorkammer des Injektors gemäß Figur 5,
    Figur 7
    eine weitere Ausführungsform der Erfindung und
    Figur 8
    eine um 90° gedrehte Ansicht der Düsenvorkammer des Injektors gemäß Figur 7.
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor zum Eindüsen von flüssigem Stickstoff in eine Kühlgasleitung 1 gezeigt. Die Kühlgasleitung 1 ist mit einem Anschlussstutzen 2 mit einem Anschlussflansch 3 versehen.
  • Der Gasinjektor besitzt eine lnjektorkammer 4, an deren äußerem Umfang ein Flansch 5 angebracht ist. Der Gasinjektor wird teilweise in den Anschlussstutzen 2 eingeschoben und mittels des Flansches 5 an dem Anschlussflansch 3 befestigt. Die Injektorkammer 4 ragt in dieser Position bis in die Kühlgasleitung 1.
  • An das untere Ende der Injektorkammer 4 schließt sich der Sprühkopf 6 an. Der Sprühkopf 6 ist mit einem geringeren inneren Querschnitt als die Injektorkammer 4 ausgeführt. Im Inneren des Sprühkopfs 6 befindet sich die Düsenvorkammer 7 mit mehreren Austrittsöffnungen 8. Die Austrittsöffnungen 8 befinden sich alle auf derselben Seite des Sprühkopfs 6. Der Gasinjektor wird so in den Anschlussstutzen 2 eingesetzt, dass die Austrittsöffnungen 8 des Sprühkopfs 6 entgegen der Strömungsrichtung 9 des in der Kühlgasleitung 1 strömenden Gases ausgerichtet sind. Ferner sind die Austrittsöffnungen 8 gleichmäßig um die Mittelachse 10 der Kühlgasleitung 1 angeordnet.
  • Figur 2 zeigt eine um 90° gedrehte Ansicht des Sprühkopfes 6 mit der Düsenvorkammer 7.
  • Oberhalb des Flansches 5, das heißt im eingebauten Zustand oberhalb des Anschlussstutzens 2, ist die Injektorkammer 4 mit einem Anschluss 11 versehen.
  • Im Inneren der Injektorkammer 4 befindet sich ein Drosselkörper 12, der über eine Zugstange 13 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Die Zugstange 13 durchstößt die obere Abdeckung 14 der Injektorkammer 4 und ist mit einem außerhalb der Injektorkammer 4 angeordneten Antrieb 15 verbunden. Die Abdichtung zwischen Zugstange 13 und Abdeckung 14 erfolgt über eine geeignete Tieftemperaturdichtung oder -durchführung. Der Antrieb 15 ist in der Regel manuell, elektrisch oder pneumatisch ausgeführt.
  • Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Injektor dient zum Eindüsen von flüssigem Stickstoff in einen Kühlgasstrom, beispielsweise einen Strom gasförmigen Stickstoffs. An den Anschluss 11 wird eine Flüssigstickstoff-Pumpe angeschlossen. Der zugeführte flüssige Stickstoff strömt über den Anschluss 11 in die Injektorkammer 4 und die Düsenvorkammer 7 und durch die Austrittsöffnungen 8 in den Kühlgasstrom 9 entgegen dessen Strömungsrichtung 9.
  • Der Druckverlust im Injektor und somit das Ausströmverhalten des flüssigen Stickstoffs wird direkt durch die Stellung des Drosselkörpers 12 in oder über der Düsenvorkammer 7 des Sprühkopfes 6 beeinflusst. Der Drosselkörper 12 wirkt in Kombination mit der Düsenvorkammer 7 als Blende, die dadurch variabel wird, dass der Drosselkörper 12 mit Hilfe des Antriebs 15 auf oder ab bewegt wird. In der einen Endstellung ist der Spalt zwischen Drosselkörper 12 und Düsenvorkammer 7 geschlossen, in der anderen Endstellung ist die Düsenvorkammer 7 gegenüber der restlichen Injektorkammer 4 vollständig geöffnet. In Figur 1 ist eine Zwischenstellung gezeigt.
  • Muss während des Kühlprozesses die Zufuhr an flüssigem Stickstoff reduziert werden, das heißt über die Zuführung 11 wird beispielsweise weniger Flüssigstickstoff in die Injektorkammer 4 geleitet, kann durch Verstellung des Drosselkörpers 12 der Druckverlust im Injektor so an die veränderte Stickstoffzufuhr angepasst werden, dass das Ausströmverhalten im Wesentlichen gleich bleibt. Es hat sich auch als günstig erwiesen, den Drosselkörper 12 automatisch in Abhängigkeit von der Stickstoffzufuhr zu steuern.
  • Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Injektor dient zur Zufuhr von flüssigem Stickstoff mit einem Druck von 50 bar oder mehr in eine Kühlgasleitung 1, in der ein Druck zwischen 35 und 45 bar herrscht. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich beispielsweise die Temperatur eines gasförmigen Stickstoffstroms von 180 °C auf 40 °C bringen. Der Volumenstrom an Flüssigstickstoff kann mit dem Injektor beispielsweise zwischen 1000 Nm3/h und 10000 Nm3/h verändert werden, wobei durch entsprechende Einstellung des Druckverlustes ein konstantes Ausströmverhalten aus den Austrittsöffnungen erreicht wird.
  • Neben der erwähnten Anwendung ist der erfindungsgemäße Injektor ebenso zur Eindüsung anderer Fluide, insbesondere technischer und/oder kryogener Gase, in einen zweiten Fluidstrom geeignet. So hat sich der Injektor zum Beispiel auch zur Zumischung von Sauerstoff in einen Luftstrom bewährt.
  • Die Figuren 3 und 4 zeigen eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Injektors. In allen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Die Ausführung gemäß den Figuren 3 und 4 unterscheidet sich von der gemäß den Figuren 1 und 2 dadurch, dass anstelle einer Düsenvorkammer 12 mehrere Düsenvorkammern 20 vorgesehen sind. Jeder Düsenvorkammer 20 ist dabei ein Drosselkörper 21 zugeordnet, wobei alle Drosselkörper 21 über einen gemeinsamen Antrieb 15 verstellt werden können. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Drosselkörper 21 einzeln und unabhängig voneinander zu verstellen, um beispielsweise das Ausströmverhalten aus den Austrittsöffnungen 8 der zentralen Düsenvorkammer 20a anders beeinflussen zu können als das durch die Austrittsöffnungen 8 der am Rand des Sprühkopfs 6 liegenden Düsenvorkammern 20b.
  • In den Figuren 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Drosselkörper wird in diesem Fall durch einen perforierten Faltenbalg 30 gebildet. Der Faltenbalg 30 ist mit zahlreichen Öffnungen 31 versehen, durch die der flüssige Stickstoff aus der Injektorkammer 4 in das Innere des Faltenbalgs 30 eindringen und in die Düsenvorkammer 7 strömen kann. Wird der Faltenbalg 30 auseinandergezogen, werden die Öffnungen 31 mehr und mehr frei gegeben und der Druckverlust für den in das Innere des Faltenbalgs 30 einströmenden Stickstoffs verringert sich. Durch Auseinanderziehen oder Zusammendrücken des Faltenbalgs 30 kann so der Druckverlust für den flüssigen Stickstoff variiert werden.
  • Schließlich ist in den Figuren 7 und 8 eine Variante der Erfindung ohne separate Düsenvorkammer gezeigt. Die Injektorkammer 4 erstreckt sich bei dieser Ausführungsform bis zum Sprühkopf 6, das heißt der Sprühkopf 6 wird durch den unteren Teil der Injektorkammer 4 gebildet. Entsprechend sind die Austrittsöffnungen 8 für den flüssigen Stickstoff in einer Wand der Injektorkammer 4 angeordnet. Der Drosselkörper 40 wird durch ein innerhalb der Injektorkammer 4 vertikal verschiebbares Rohrsegment gebildet. Je nach Position des Rohrsegments 40 wird ein Teil der Austrittsöffnungen 8 ganz oder teilweise abgedeckt. Je nach vertikaler Position des Rohrsegments 40 wird der Austritt von flüssigem Stickstoff durch die abgedeckten Austrittsöffnungen 8 entweder völlig verhindert oder erschwert, das heißt der Druckverlust für den flüssigen Stickstoff erhöht sich.

Claims (12)

  1. Injektor zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, welches in einer Hauptleitung (1) strömt, mit einer Injektorkammer (4), welche zumindest eine Zuführung (11) für das erste Fluid und mindestens eine Austrittsöffnung (8) für das erste Fluid besitzt, wobei der Injektor zumindest teilweise durch einen Anschlussstutzen (2) in die Hauptleitung (1) einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (12, 21, 30, 40) vorgesehen sind, um den Druckverlust des ersten Fluids zwischen der Zuführung (11) und der Austrittsöffnung (8) zu verändern.
  2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Injektorkammer (4) ein Drosselkörper (12) verstellbar angeordnet ist, um den Druckverlust des ersten Fluids zwischen der Zuführung (11) und der oder den Austrittsöffnung(en) (8) zu verändern.
  3. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Injektorkammer (4) eine Düsenvorkammer (7) mit der oder den Austrittsöffnung(en) (8) vorgesehen ist, wobei der Drosselkörper (12) so ausgebildet ist, dass der freie Strömungsquerschnitt zwischen der Düsenvorkammer (7) und der restlichen Injektorkammer (4) verstellbar ist.
  4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (12) eine zumindest teilweise konisch verlaufende Außenform besitzt.
  5. Injektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper als perforierter Faltenbalg (30) ausgebildet ist.
  6. Injektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (40) so angeordnet ist, dass der freie Strömungsquerschnitt der Austrittsöffnung(en) (8) verstellbar ist.
  7. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12, 21, 30, 40), um den Druckverlust des ersten Fluids zwischen der Zuführung (11) und der oder den Austrittsöffnung(en) (8) zu verändern, mit einem Verstellantrieb (15) versehen sind.
  8. Verfahren zum Eindüsen eines ersten Fluids in ein zweites Fluid, wobei ein Strom des zweiten Fluids in einer Hauptleitung (1) geführt und das erste Fluid über eine Zuführung (11) in eine Injektorkammer (4) geführt und durch mindestens eine Austrittsöffnung (8) in die Hauptleitung (1) gedüst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust des ersten Fluids in der Injektorkammer (4) verstellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des ersten Fluids zwischen 500 Nm3/h und 10.000 Nm3/h verstellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff, insbesondere flüssiger Stickstoff, in die Hauptleitung (1) gedüst wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid mit einem Druck von mehr als 20 bar, bevorzugt mehr als 35 bar, besonders bevorzugt mehr als 50 bar in die Hauptleitung (1) gedüst wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlust des ersten Fluids in der Injektorkammer (4) in Abhängigkeit von dem Volumenstrom des ersten Fluids eingestellt wird.
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