ES2208374T3 - Procedimiento para un quemador y dispositivo correspondiente. - Google Patents
Procedimiento para un quemador y dispositivo correspondiente.Info
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Abstract
Procedimiento para un quemador para la combustión de una mezcla (1) de sustancia combustible/agente oxidante dentro de una cámara de combustión, en el que está previsto un material (3, 3¿, 3¿¿, 3¿¿¿) que soporta una temperatura máxima, que es menor que la temperatura de combustión de la mezcla de sustancia combustible/agente oxidante, caracterizado porque antes de la combustión se suministra un gas adicional, que no contribuye esencialmente a la combustión, como un gas inerte o vapor de agua o el gas de escape de la combustión o de una post- combustión, con el que se reduce la temperatura durante la combustión a un valor por debajo de la temperatura máxima.
Description
Procedimiento para un quemador y dispositivo
correspondiente.
La invención se refiere a un procedimiento para
un quemador para la combustión de una mezcla de sustancia
combustible/agente oxidante, dentro de una cámara de combustión en
la que está previsto un material que soporta una temperatura máxima
que es menor que la temperatura de combustión de la mezcla de
sustancia combustible/agente oxidante. Además, la invención se
refiere a un dispositivo con un quemador para la combustión de una
mezcla de sustancia combustible/agente oxidante dentro de una
cámara de combustión en la que está previsto un material que
soporta una temperatura máxima, con una o varias líneas de
suministro para la sustancia combustible así como para el agente
oxidante, para introducirlos en la cámara de combustión. La
invención se refiere además al uso del procedimiento o al uso del
dispositivo.
En la mayoría de las aplicaciones con quemadores
se pretende conseguir una combustión lo más efectiva posible, entre
otros para poder conseguir un rendimiento lo más alto posible.
Habitualmente, el nivel de temperatura está limitado por la
resistencia a la temperatura del material disponible.
Especialmente en las reacciones químicas
fuertemente exotérmicas están presentes temperaturas más altas que
las que permiten los materiales disponibles, como en la síntesis de
productos intermedios o finales. Tales reacciones químicas se
realizan frecuentemente con una llama que arde libremente a gran
distancia del material del quemador.
Además, hay reactores especialmente diseñados
para estas reacciones químicas exotérmicas compuestos por una o
varias unidades de quemadores y una cámara de combustión, según la
naturaleza de las sustancias utilizadas. Sin embargo, dado que las
sustancias utilizadas así como los productos presentan
frecuentemente propiedades fuertemente tóxicas así como corrosivas,
tales reactores químicos deben diseñarse considerando requisitos de
seguridad especialmente estrictos, lo que significa especialmente
una gran limitación para la elección del material.
A continuación se tratará fundamentalmente la
síntesis de cloruro de hidrógeno, en la que se hacen reaccionar
cloro e hidrógeno. Sin embargo, aunque en el presente documento se
trata frecuentemente la síntesis de cloruro de hidrógeno, esto no
debe ser tomado como limitativo sino exclusivamente a modo de
ejemplo. Los principios presentados pueden transferirse a todas las
reacciones similares, especialmente a aquellas en las que pueden
generarse altas temperaturas.
En la síntesis de cloruro de hidrógeno la cámara
de reacción es, en principio, una llama de difusión que se
encuentra en una cámara de combustión amplia. Como quemadores se
utilizan dispositivos relativamente sencillos fabricados de
materiales resistentes a la corrosión, con un conducto interno y
uno externo. A través del conducto interno, que a menudo presenta
una cabeza de quemador formada especialmente, se suministran los
gases que contienen cloro. Por el contrario, a través de un
intersticio anular que queda libre entre los conductos se
suministran los gases que contienen hidrógeno, de manera que el
hidrógeno rodea prácticamente a los gases que contienen cloro. Los
dos gases no entran en contacto entre sí hasta inmediatamente
después de salir del quemador, reaccionan y forman una llama larga,
que se expande en la cámara de combustión.
Principalmente, la mezcla de los reactantes en la
llama tiene lugar por difusión. Debido a las altas temperaturas de
combustión las paredes de la cámara de combustión deben estar lo
más separadas que sea posible. Además, en la mayoría de los casos
estas paredes se enfrían.
A causa de esto resulta una gran desventaja en
este tipo de combustión, porque las zonas exteriores de tal llama
se enfrían mediante cesión de calor a las paredes frías de tal
manera que la reacción de los reactantes es muy lenta o se detiene.
Por ello bajo ciertas circunstancias se encuentra cloro, que no ha
reaccionado todavía, en el cloruro de hidrógeno a la salida de los
gases de combustión calientes de la cámara de combustión. Por ello,
el porcentaje de cloro que no ha reaccionado se reduce
suministrando un excedente de entre el 5 y el 10% de hidrógeno.
Es deseable conseguir una estabilidad mayor de la
llama especialmente en este tipo de casos de aplicación,
especialmente en la síntesis de cloruro de hidrógeno. Sin embargo,
los parámetros físicos habituales de regulación están limitados
fuertemente. Por ejemplo, en condiciones de
sub-presión, la estabilidad de la llama se reduce,
su expansión aumenta claramente. Por cierto, una combustión a
presiones altas no es habitual hasta el momento. Además, no pueden
utilizarse quemadores de mezclado previo diseñados especialmente, a
causa del peligro de un retroceso de la llama sin combustión
espontánea de la mezcla de cloro e hidrógeno.
Otro campo tratado en el presente documento es la
eliminación de gases nocivos. Una forma de realización habitual de
un reactor químico para la eliminación de sustancias nocivas, es
una cámara de combustión caliente revestida con materiales
resistentes al fuego, en la que los gases de combustión se hacen
reaccionar con quemadores tradicionales. Los gases nocivos a
eliminar se conducen con ayuda de un suministro separado a una
cámara de combustión. La cámara de combustión está dimensionada de
tal manera que se dé un cierto tiempo de tratamiento mínimo a altas
temperaturas para la combustión total de los gases de reacción.
Estos dispositivos se utilizan preferiblemente para la
post-combustión de compuestos o gases de escape que
contienen cloro. En general, el tiempo de tratamiento mínimo
determina el tamaño de tal cámara de combustión. Ésta puede
reducirse, por cierto, con un mezclado mejor y calor más
intenso.
La discusión mencionada anteriormente muestra que
las instalaciones de este tipo pueden fabricarse únicamente
cumpliendo con un cierto tamaño mínimo, ocupando por tanto las
instalaciones de forma habitual extremadamente mucho lugar. Así se
muestra por ejemplo en el catálogo de la empresa
SGL-TECHNIK GmbH, Apparatebau (Construcción de
aparatos), calle Werner von Siemens, 18, DE-86405
Meitingen, en la página 3, un horno de síntesis para HCl que, como
se puede reconocer por las personas mostradas en la misma figura,
tiene un tamaño aproximado de más de 10 metros de longitud. Esta
longitud debería poder reducirse drásticamente.
Es tarea de la invención mejorar un procedimiento
y un dispositivo del tipo mencionado al comienzo de tal manera que
los aparatos o los quemadores que se produzcan así ocupen menos
lugar. Además, también se debe proporcionar un dispositivo para
este procedimiento con el que, por ejemplo, las reacciones
exotérmicas mencionadas anteriormente puedan ser llevadas a cabo
reduciendo las desventajas descritas de forma detallada
anteriormente.
La tarea de la invención se soluciona, partiendo
del procedimiento mencionado en forma introductoria, suministrando
antes de la combustión un gas adicional que no contribuye
esencialmente a la combustión, como un gas inerte o vapor de agua o
el gas de escape de la combustión o de una
post-combustión, con el que se reduce la
temperatura durante la combustión a un valor por debajo de la
temperatura máxima. Al respecto está previsto en un dispositivo al
menos otro conducto de suministro por el que puede suministrarse un
gas adicional, especialmente de bajo valor calorífico bruto, a la
cámara de combustión, gas con el que puede reducirse la temperatura
durante la combustión a un valor por debajo de la temperatura
máxima.
Por el momento, este método sencillo para
solucionar la tarea, es decir reducir la temperatura con la ayuda
de un gas adicional, no parece ser especialmente eficaz. Sin
embargo se ha verificado lo contrario, se ha mostrado sobre todo
que a causa de la invención y los perfeccionamientos
correspondientes, una instalación para, por ejemplo, la síntesis de
cloruro de hidrógeno puede fabricarse con menos de un metro de
longitud. Este resultado, la reducción drástica de la longitud de
casi 15 m a menos de 1 m, no hubiera sido de esperar al plantear la
tarea.
Tampoco podría haberse conseguido en forma
practicable con las medidas tradicionales del experto, es decir la
conexión en paralelo de varias instalaciones para la síntesis de
cloruro de hidrógeno, de rendimiento bajo, para la reducción de la
longitud.
La invención se basa en el conocimiento de que
con la reducción de la temperatura mediante el suministro de un gas
adicional para el enfriamiento no sólo se reduce fuertemente el
coste para un enfriamiento exterior, sino que también puede
mantenerse menor la separación llama/pared.
Además, pueden utilizarse también otros tipos de
quemadores que el quemador de difusión mencionado anteriormente,
que además posibilitan otro acortamiento. A causa de la invención,
es de esperar que en la síntesis de cloruro de hidrógeno se pueda
trabajar con menos exceso de hidrógeno, ya que los gradientes de
temperatura que se producen según el estado de la técnica son
menores y el mezclado es mejor. Esto aumenta la eficiencia económica
de este tipo de instalaciones.
Además también resulta la ventaja de que, a causa
de la regulabilidad de la cantidad de gas inerte suministrado, se
puede controlar o regular la temperatura. Por ejemplo, esta
posibilidad también puede aprovecharse para regular la temperatura
respecto a la mezcla de sustancia combustible/agente oxidante, con
respecto a emisiones de gas de escape mínimas.
En un perfeccionamiento preferido del dispositivo
está previsto que el producto de combustión de la cámara de
combustión, se introduzca al menos parcialmente por un conducto de
suministro como gas adicional, con el que puede reducirse la
temperatura durante la combustión.
Entonces no solo puede conseguirse una
temperatura reducida sino que también tiene lugar una
post-combustión de los gases de escape, lo que
eventualmente reduce esencialmente el contenido de sustancias
nocivas. Además hay que resaltar, que no debe introducirse en la
cámara de combustión ningún gas especial en particular, ya que el
gas de escape siempre estará presente. Por lo tanto, el coste para
un dispositivo de este tipo se reduce.
Según otro perfeccionamiento de la invención se
prevé para el procedimiento, que la mezcla de sustancia
combustible/agente oxidante y el gas adicional suministrado se
mezclen, al menos parcialmente, en un dispositivo de premezclado
conectado antes del quemador. Un dispositivo correspondiente según
este perfeccionamiento está caracterizado porque presenta una cámara
de premezclado para la mezcla de sustancia combustible/agente
oxidante, desde la cual la mezcla de sustancia combustible/agente
oxidante fluye a la cámara de combustión.
Como ya ha quedado claro anteriormente, una
cámara de premezclado no es posible de ningún modo en dispositivos
según el estado de la técnica, ya que los gases de combustión deben
conducirse distanciados y por separado hasta la salida de los dos
tubos, porque si no existe el peligro de un retroceso de la llama.
Por lo demás, los materiales disponibles no resisten, dado un
retroceso, por ejemplo en la síntesis de cloruro de hidrógeno, el
contacto con la llama a causa de las elevadas temperaturas. La
cámara de premezclado utilizada aquí ahora según el
perfeccionamiento posibilita un mezclado esencialmente mejor y una
reacción más efectiva de los reactantes, lo que posibilita, por
ejemplo, una reducción del porcentaje de hidrógeno necesario para
la síntesis de cloruro de hidrógeno.
La combustión espontánea de la mezcla de cloruro
de hidrógeno en la cámara de premezclado también sería un problema
si se utilizaran los quemadores tradicionales. Pero aquí puede
reducirse el efecto de la radiación UV sobre el gas en la cámara de
premezclado mediante su dimensionamiento correspondiente. En caso
contrario, la radiación UV podría conducir a la inflamación de la
mezcla de gases de cloro e hidrógeno, mencionada a modo de ejemplo,
en la cámara de premezclado.
En un perfeccionamiento ventajoso de la invención
está previsto especialmente que la cámara de premezclado esté
dimensionada de tal manera que la componente de velocidad de flujo
de la mezcla, referida a la dirección hacia la cámara de
combustión, sea mayor en la cámara de premezclado que la velocidad
de la llama en la cámara de combustión.
Por ello la cámara de combustión se dimensiona de
tal manera, que una llama que se genere eventualmente en la cámara
de premezclado se apague de un soplo en el caso de una inflamación
no intencionada, en todo el régimen de funcionamiento, por ejemplo
en la puesta en marcha.
Al mismo tiempo, ya se puede suministrar a la
cámara de premezclado, sobre todo, el gas adicional con el que
puede reducirse la temperatura de combustión, para mezclarlo con la
sustancia combustible/el agente oxidante. En ello también se mezcla
el gas adicional eficazmente, con lo que se consigue un enfriamiento
efectivo y una temperatura uniforme dentro de la llama.
Según otro perfeccionamiento de la invención está
previsto que la superficie lateral se elija tan grande en relación
con el volumen de la cámara de premezclado, que la energía libre de
una deflagración pueda ser absorbida, dado el caso, por la pared
lateral.
También aquí puede conseguirse con medios
sencillos un gran estándar de seguridad.
Otra mejora, a este respecto, se consigue en un
perfeccionamiento de la invención mediante un enfriamiento de la
cámara de premezclado.
Se debe constatar que una cámara de premezclado
según los perfeccionamientos mencionados anteriormente representa
una ventaja de la invención, que en otras reacciones químicas
exotérmicas estaba excluida, hasta ahora, a causa de las
limitaciones por la técnica utilizada. Para un buen mezclado de los
gases en la cámara de premezclado, los gases se inyectan con
velocidades altas, preferiblemente de manera tangencial. La
velocidad de la mezcla de gases en dirección axial se elige sobre la
velocidad de la llama de la mezcla. Para mejorar la mezcla pueden
preverse estructuras internas en la cámara de premezclado, por
ejemplo elementos mezcladores habituales en los comercios, como los
que se utilizan en los mezcladores estáticos. El gas inerte
suministrado según la invención, es decir el gas adicional para
reducir la velocidad de la llama y para bajar la temperatura de
combustión adiabática, se mezcla con los gases de reacción
principales preferiblemente antes de la cámara de premezclado, para
que no se generen localmente dentro de la cámara de premezclado, en
ningún lugar, velocidades de llama esencialmente mayores que en una
mezcla de gases premezclada de forma ideal.
Según otro perfeccionamiento ventajoso está
previsto que en la cámara de combustión esté previsto un material
poroso con cavidades comunicantes, adecuadamente grandes para el
desarrollo de una llama.
Especialmente, la porosidad del material poroso
con cavidades comunicantes cambia en la dirección del desarrollo de
la llama hacia poros más grandes, dando resultado para la dimensión
de los poros, en una superficie de separación interna, un número de
Péclet crítico, número sobre el que tiene lugar el desarrollo de la
llama y bajo el que ésta se inhibe.
Las posibilidades de realización para este tipo
de quemadores porosos, como se mencionan a continuación, se han
descrito en varios artículos de la bibliografía técnica, a modo de
ejemplo en Durst et al. Bulletin SEVNSE, volumen 89, nº 21, páginas
11-18, 1998. Otras explicaciones pueden tomarse del
documento EP 0 657 011 B1. Este tipo de quemadores no eran
utilizables hasta ahora para la combustión con reacciones
químicamente muy exotérmicas, ya que el material no resistía las
altas temperaturas.
El tamaño de construcción de tales instalaciones
y dispositivos puede reducirse considerablemente con la utilización
de los quemadores porosos, con igual rendimiento y calidad de
producto. Además, mejora esencialmente la deficiente estabilidad de
la llama de las instalaciones y los dispositivos conocidos, que se
produce por fluctuaciones de la presión, especialmente en
condiciones de sub-presión.
Una estabilización de la combustión se consigue
mediante el aumento del tamaño de los poros en la dirección del
flujo, dando como resultado, en una zona del material poroso, un
número de Péclet crítico para la dimensión de los poros, número
sobre el que tiene lugar el desarrollo de la llama y bajo el que
ésta se inhibe.
El uso de esta técnica para la producción de
productos químicos, como por ejemplo cloruro de hidrógeno, o para
la post-combustión de gases nocivos, como por
ejemplo gases que contienen cloro, no solo tiene un efecto ventajoso
para la combustión, sino que posibilita también diseñar y disponer
ventajosamente aquellas partes de la instalación en las que está
integrado el quemador poroso.
En un quemador poroso la reacción se realiza
dentro de una matriz porosa de material resistente a la
temperatura. A diferencia de los dispositivos quemadores
convencionales, no es necesario disponer el quemador en una cámara
de combustión voluminosa o conectar una posteriormente. Los
productos de reacción calientes fluyen del mismo quemador sin
formación directa de llamas.
Para la reacción del cloruro de hidrógeno, así
como para otras reacciones químicas utilizadas en la industria
química, un quemador poroso de montaje tradicional no es adecuado
sin la reducción según la invención de la temperatura de la llama.
Además, en comparación con las aplicaciones conocidas de la técnica
de calefacción, en la cámara de combustión se generan temperaturas
considerablemente más elevadas y los gases son fuertemente
corrosivos.
Sin embargo, el dimensionamiento de los
quemadores porosos para instalaciones industriales químicas se
realiza en primer lugar según pautas similares, como se han
descrito en el documento EP 0 657 011 B1, siendo tomado como
criterio para el dimensionamiento de los tamaños de poro
estratificados el número de Péclet Pe según:
Pe =
\frac{S_{L}d_{m}C_{p}\rho_{G}}{\lambda_{G}}
siendo:
| S_{L} | la velocidad laminar de combustión de los gases, dado el caso premezclados; |
| d_{m} | el diámetro de poro efectivo; |
| \lambda_{f} | la conducción térmica de la mezcla de gases |
| \rho_{f} | la densidad de la mezcla de gases y |
| C_{p} | la capacidad calórica específica de la mezcla de gases. |
La mezcla de gases combustible circula primero
por una región llamada a continuación zona A, caracterizada por
diámetros de poro efectivos tan pequeños que no es posible una
expansión estacionaria de la llama, es decir que la primera zona
porosa es similar en su acción a un bloqueo de retroceso de la
llama. Sin embargo, la región siguiente propiamente de la
combustión, llamada a continuación zona C, presenta tamaños de poro
que son lo suficientemente grandes como para permitir una
combustión estacionaria. En la bibliografía técnica (por ejemplo en
Combustion and Flame de Babkin et al., volumen 87, páginas
182-190, 1991) se indica como criterio para la
expansión de la llama en el interior de una matriz porosa un número
de Péclet de Pe > 65.
En el documento EP 0 657 011 B1 se propone
utilizar un número de Péclet marcadamente menor para la primera zona
y marcadamente mayor para la zona de combustión que el número de
Péclet crítico de Pe = 65.
Cuando se enciende el quemador poroso se
estabiliza la combustión en el punto de intersección entre las dos
zonas. Debido a las pequeñas dimensiones de los poros en la primera
zona, en esta región no tiene lugar una combustión en el estado
estacionario sino únicamente un precalentamiento de la mezcla de
gases. Esta característica cumple con los estrictos requisitos de
seguridad, respecto al peligro de un retroceso de la llama, en las
instalaciones químicas.
A causa de la excelente transferencia de calor
entre la fase gaseosa y la sólida dentro de la matriz porosa, éstos
se encuentran en equilibrio térmico aproximado. El equilibrio
térmico aproximado entre la fase gaseosa y la fase sólida y la
mezcla intensa dentro del cuerpo poroso producen la desaparición de
llamas libres en la zona de combustión dotada de poros más grandes.
Por consiguiente, el proceso de combustión se lleva a cabo en un
área de reacción extendida, que puede caracterizarse más como un
reactor de combustión que como una cámara de combustión con llamas
libres.
Como relleno poroso de la cámara de combustión de
los quemadores porosos para instalaciones químicas industriales se
pueden utilizar materiales, como por ejemplo óxido de aluminio,
óxido de circonio, grafito, carbono, entre otros, que además de una
alta resistencia a la temperatura también presentan una resistencia
suficiente a la corrosión. Aunque también pueden utilizarse
estructuras espumadas o estructuras de panal de abejas, para la
fabricación de la cámara de combustión porosa se utilizan
preferiblemente acumulaciones de bolas de cerámica resistentes a la
temperatura, rellenos en forma de montura y cuerpos similares, como
los que se utilizan por ejemplo como empaquetamiento desordenado en
los procedimientos térmicos de separación. Las acumulaciones se
prefieren porque posibilitan una limpieza sencilla frente a las
sedimentaciones, por ejemplo de residuos de sales que se producen
en la síntesis del cloruro de hidrógeno, que provienen de los gases
de combustión, porque éstos pueden llevar consigo eventualmente
gotas líquidas cargadas de sal. También para los quemadores
porosos, se disponen para la producción de cloruro de hidrógeno
zonas de estructuras porosas o de tamaños de poro diferentes, según
el documento EP 0 657 011 B1. Esto tiene lugar mediante el uso de
cuerpos de relleno de diferentes tamaños para las zonas A y C.
Sin embargo, a diferencia de la realización
descrita en el documento EP 0 657 011 B1, puede disponerse
preferiblemente entre las estructuras porosas de las dos zonas,
formadas con cuerpos de relleno con tamaños de poro diferentes,
otra rejilla que impide la descarga de cuerpos de relleno pequeños
de la zona A hacia los espacios intermedios de los cuerpos de
rellenos más grandes de la zona C. También, en la salida de los
gases de la zona C se dispone en los quemadores, en los que los
gases no salen verticalmente hacia arriba, otra rejilla permeable a
los gases, que cierra la cámara de combustión. Por ello es posible
disponer el quemador en cualquier posición, a pesar de la
acumulación suelta de los cuerpos de relleno en la cámara de
combustión.
La cámara de reacción porosa está rodeada
preferiblemente por una pared enfriada, resistente a la corrosión,
que está compuesta, por ejemplo, de grafito impregnado con resina
artificial. El enfriamiento puede realizarse con agua de
refrigeración, aire o con los mismos gases de combustión. Entre la
pared enfriada y la cámara de combustión se encuentra entonces
preferiblemente una capa intermedia aislante, de materiales
aislantes térmicos resistentes a la alta temperatura y a la
corrosión, que impide pérdidas de calor y asegura que en cada lugar
de la cámara de combustión predomine la temperatura de la cámara de
combustión deseada. A diferencia del documento EP 0 657 011 B1,
gracias a este fuerte aislamiento se posibilita una dirección casi
adiabática del proceso, en la que el proceso de combustión no se ve
influenciado en su temperatura a causa de la pared enfriada. Por
ejemplo, la dirección adiabática del proceso permite aumentar a
escala, de forma sencilla, tales reactores químicos, ya que las
propiedades del transporte de calor hacia las paredes enfriadas son
irrelevantes y todo el proceso puede contemplarse como casi
unidimensional en la dirección del flujo.
La temperatura adiabática de combustión de varias
reacciones químicas, como de las reacciones de hidrógeno y cloro,
es mayor de 2500ºC. Los materiales habituales para el relleno de la
cámara de combustión, de cerámica, suficientemente resistentes a la
corrosión, no resisten estas altas temperaturas. La medida
propuesta según la invención soluciona el problema de las altas
temperaturas de combustión mediante el suministro de otro gas o
vapor. En consecuencia, se mezcla otro flujo gaseoso con la mezcla
de gases en la cámara de premezclado, o con cada gas de combustión.
Por ejemplo, este flujo gaseoso puede ser un flujo parcial del
producto de reacción, por ejemplo cloruro de hidrógeno, de otra
parte de la instalación técnica de procesos. También puede
utilizarse vapor de agua u otro gas preferiblemente inerte respecto
a la reacción subsiguiente, que posibilite descender la temperatura
de la cámara de combustión al nivel deseado. El descenso de la
temperatura de combustión es tanto más importante, en cuanto el
suministro de calor para los quemadores porosos, que son
dimensionados para rendimientos elevados, juega un papel subordinado
a causa de la pared enfriada. Debido al gas de retroalimentación o
al gas procedente de otra fuente, se reduce aún más la velocidad de
la llama, de tal manera que la combustión puede tener lugar en todo
el intervalo de potencia únicamente en la zona C del quemador
poroso. La retroalimentación del producto de reacción es
especialmente ventajosa, ya que con ello no se aumenta la cantidad
de gas de escape de la instalación. A este respecto también es
ventajoso el vapor de agua, porque el vapor de agua puede
condensarse a menudo en las unidades subsiguientes para la
producción de productos finales, como por ejemplo ácido
clorhídrico. A menudo, si los reactantes principales, como hidrógeno
y cloro, provienen de reacciones químicas en instalaciones técnicas
de procesos, contienen porcentajes tan elevados de gases extraños
que puede prescindirse de la adición de otro gas de
retroalimentación o de otro gas procedente de otra fuente o se debe
suministrar, por motivos técnicos de regulación, únicamente tanto
como para que la reacción se estabilice en la temperatura
deseada.
A diferencia de las realizaciones de quemadores
habituales para instalaciones químicas, como para la síntesis de
cloruro de hidrógeno, en las que el mezclado de los gases de
combustión se realiza fuera del quemador y dentro de la cámara de
combustión, en el dispositivo descrito en el presente documento los
gases de combustión se premezclan. A diferencia del documento EP 0
657 011 B1, la cámara de premezclado es un elemento ventajoso y un
componente relevante en cuanto a la seguridad de un dispositivo
según la invención.
La cámara de premezclado es preferiblemente de un
material resistente a la corrosión, por ejemplo fabricada de grafito
impregnado con resina artificial. Los gases premezclados entran en
la zona A del quemador poroso desde la cámara de premezclado,
preferiblemente a través de una rejilla de un material resistente a
la corrosión, por ejemplo carburo de silicio, óxido de aluminio u
otros. Como ya se ha tratado anteriormente, varios reactantes
químicos, como el cloro y el hidrógeno, tienden a la combustión
espontánea bajo la acción de la radiación UV. Sin embargo, la
combustión espontánea en la cámara de premezclado debería impedirse
por motivos de seguridad. Se eligen una rejilla de configuración
adecuada y un dimensionamiento correspondiente de la zona A, de tal
manera que no pase o pase únicamente muy poca radiación UV, que
podría llevar a la inflamación de la mezcla de gases de cloro e
hidrógeno en la cámara de premezclado, de la zona A o C a la cámara
de premezclado.
Debe resaltarse especialmente la estabilidad de
la combustión en el quemador poroso descrito. Frente a los
quemadores para cloruro de hidrógeno expuestos según el estado de
la técnica, que reaccionan muy sensiblemente frente a fluctuaciones
de presión y de cantidades, en los que, por consiguiente, la llama
puede apagarse fácilmente, por el contrario, en el quemador poroso
la reacción de combustión puede iniciarse enseguida otra vez
incluso durante la ausencia de gases en un corto tiempo, debido a
la capacidad calorífica del cuerpo de relleno en la zona C. Sin
embargo, frente a la ausencia de uno de los gases es conveniente
cortar también el otro gas y realizar a continuación un lavado con
un gas inerte, por motivos de seguridad. Incluso después de varios
minutos el quemador puede ponerse luego en marcha sin retraso, sin
un nuevo procedimiento de arranque, también tras un lavado con gas
inerte.
El encendido y el precalentamiento del quemador
pueden realizarse con un gas de combustión (hidrógeno, metano u
otros) y aire. Por cierto, también puede utilizarse para ello un
dispositivo de encendido convencional, que es habitual para este
tipo de reactores químicos. Tras el calentamiento completo de la
zona C se puede cambiar poco a poco o también enseguida los
reactantes, como por ejemplo cloro e hidrógeno.
En el caso de la síntesis de cloruro de hidrógeno
y un precalentamiento con una llama de hidrógeno/aire tiene lugar
una regulación ventajosa, en el sentido de que el porcentaje de
aire se reduce lentamente y el porcentaje de cloro se aumenta en
igual medida hasta que el aire se sustituye totalmente por
cloro.
Las fluctuaciones repentinas de carga de entre el
50 y el 120% de la carga nominal, que pueden producirse en tales
instalaciones, pueden dominarse sin dificultades con el quemador
poroso descrito.
La excelente estabilidad de la reacción de
combustión en el quemador poroso posibilita el uso del quemador
bajo presión o en condiciones de sub-presión, lo que
según el estado de la técnica no se ha realizado hasta el momento
con la suficiente seguridad en el procedimiento, especialmente en la
síntesis de cloruro de hidrógeno, a causa de la llama inestable.
Para un mayor rendimiento, los quemadores porosos pueden equiparse
con un área de sección correspondientemente mayor o conectarse en
paralelo en cualquier número. Una disposición tal de muchos
quemadores pequeños aumenta considerablemente el intervalo de
potencia de una instalación para la síntesis de cloruro de
hidrógeno, ya que pueden conectarse o desconectarse los quemadores
según los requisitos de potencia. De esta manera, siempre puede
hacerse funcionar la disposición total en un intervalo de potencia
óptimo. A diferencia de los ejemplos representados en el presente
documento, también es posible realizar los quemadores como
quemadores en línea o anulares. Dentro de la cámara de combustión
se obtienen entonces condiciones casi invariables.
El aumento a escala para instalaciones técnicas
es sorprendentemente sencillo, debido a la teoría técnica para el
dimensionamiento de quemadores porosos, especialmente en la
dirección adiabática del proceso descrita anteriormente, según la
cual independientemente del tamaño se deben mantener condiciones de
flujo definidas en las zonas A y C.
Los quemadores porosos descritos a continuación y
modificados para procesos químicos son partes de instalaciones
técnicas de procesos para la producción de ácido clorhídrico o para
la post-combustión de compuestos que contienen
cloro.
Por ejemplo, una instalación tal presenta un
quemador poroso modificado, un intercambiador de calor para el
enfriamiento de los productos de reacción o para el aprovechamiento
de su contenido calorífico y según el tipo de instalación también
un aparato de absorción, un Scrubber o lavador de gases de escape
en las piezas de transición entre los aparatos, bombas, tuberías y
los dispositivos de seguridad, de medición y de regulación
habituales. En comparación con el estado de la técnica, no es
necesaria una cámara de combustión voluminosa, debido a la buena
dirección de la reacción y al buen mezclado de los gases en el
quemador poroso. El quemador puede conectarse directamente a los
aparatos subsiguientes, por ejemplo un intercambiador de calor, un
Quenche (enfriador) con aparato de absorción u otros aparatos. Tras
el enfriamiento de los productos de reacción que fluyen del
quemador en un intercambiador de calor, o tras un Quenche
(enfriador), se suministra un flujo parcial del gas o de la mezcla
de gases enfriados otra vez al quemador, como se ha descrito
anteriormente. De forma alternativa, se puede agregar también otro
gas, por ejemplo vapor de agua, como se ha descrito.
Según los requisitos planteados del producto,
pueden necesitarse únicamente partes de la instalación técnica de
procesos, por ejemplo el quemador y el condensador de gases o el
quemador y el Quenche (enfriador), dependiendo de si el producto se
necesita gaseoso o disuelto en agua como ácido clorhídrico.
Otra forma de realización de una instalación para
la producción de cloruro de hidrógeno utiliza como proveedor de
hidrógeno gases de hidrocarburos, por ejemplo gas natural, metano,
propano, etc., cloro y aire. La combustión tiene lugar según las
ecuaciones (1 y 2) de reacción, representadas en forma
considerablemente simplificada
(1)
\hskip1cmCH_{4} + O_{2} + Cl_{2} ---> CO + 2HCl + H_{2}O
(2)
\hskip1cmCO + ½ O_{2} ---------> CO_{2}
Esta combustión es difícil de realizar en una
instalación según el estado de la técnica, ya que bajo condiciones
desfavorables puede producirse hollín, que ensucia la instalación y
el ácido. Inesperadamente, las propiedades especiales descritas del
quemador poroso posibilitan, también en esta aplicación crítica,
una combustión estable y libre de hollín.
Los quemadores porosos para la
post-combustión de gases de escape halogenados o de
compuestos orgánicos halogenados gaseosos se realizan, como se
clarificará posteriormente mediante ejemplos de realización, de tal
manera que el agente oxidante y el gas de combustión se inyectan
preferiblemente premezclados en la cámara de premezclado. Debido a
la elevada entalpía de reacción del agente oxidante y el gas de
combustión, se produce una llama de apoyo estable en la zona C de
combustión. El gas o la mezcla de gases a tratar en la
post-combustión se inyectan por un conducto de
introducción en la cámara de premezclado, preferiblemente a través
de una rejilla de la zona A del quemador poroso, y se mezclan con
la mezcla de sustancia combustible/agente oxidante. Preferiblemente,
para regular la temperatura del proceso de
post-combustión se utiliza un exceso correspondiente
del agente oxidante, especialmente aire. Para regular la
temperatura en la zona C del quemador poroso, se mide la
temperatura, por ejemplo, mediante un pirómetro infrarrojo y se
transforma la señal para la regulación del agente oxidante. En las
post-combustiones, las unidades subsiguientes se
diferencian de las partes de la instalación descritas anteriormente,
dependiendo del contenido de halógeno de los gases de escape.
Generalmente, si el contenido de halógeno es bajo, en el caso en el
que la producción de ácido clorhídrico no ocupa un primer plano, se
conecta a continuación únicamente un Quenche (enfriador) y un
lavador. Otras sustancias secundarias, por ejemplo compuestos de
azufre o similares, pueden someterse también a una eliminación sin
daño mediante las unidades descritas. Dado que las instalaciones de
post-combustión descritas, con quemadores porosos,
no necesitan una cámara de combustión en el sentido tradicional,
tales instalaciones pueden realizarse muy compactas y favorables en
sus costes.
A causa de las realizaciones detalladas
anteriormente, resultan especialmente los siguientes
perfeccionamientos preferidos de la invención:
- La cámara de combustión presenta al menos dos
zonas con material de diferentes tamaños de poro, entre las que el
tamaño de poro da como resultado el número de Péclet crítico;
- El material con cavidades comunicantes presenta
por lo menos parcialmente una acumulación de cuerpos, como las que
se utilizan para acumulaciones de cuerpos sólidos o
empaquetamientos ordenados en procedimientos térmicos de
separación, como bolas o rellenos en forma de montura;
- En la superficie de separación de las zonas de
diferentes porosidades está prevista una reja, como una rejilla,
para impedir la descarga de los cuerpos de una zona a la otra, en
la que también la reja, especialmente la rejilla, puede
enfriarse;
- La cámara de combustión está diseñada para la
estabilidad de la llama en condiciones de sobre y
sub-presión.
La cámara de combustión puede diseñarse ahora
también para la estabilidad de la llama en condiciones de sobre y
sub-presión, lo que en el estado de la técnica
conocido anteriormente había conducido únicamente a una estabilidad
insuficiente de la llama. Sin embargo, a causa de la invención y de
sus perfeccionamientos se tiene a disposición un intervalo de
presión esencialmente mayor, de tal manera que el dimensionamiento
correspondiente para un intervalo de presión mayor, de la manera
habitual para el experto, especialmente también para sobre y
sub-presión, puede conducir a un aumento esencial de
la estabilidad de la llama. En ello pueden suprimirse, en general,
las regulaciones.
En un perfeccionamiento preferido de la invención
está previsto especialmente un aislamiento de la cámara de
combustión, para una dirección de la combustión casi adiabática sin
efectos de las paredes. Una dirección adiabática de la combustión
es especialmente ventajosa para el aumento de la tasa de
conversión. Desventajosamente, una dirección adiabática de la
combustión de este tipo, sin efectos de las paredes, no era posible
de ningún modo en los quemadores precedentes mencionados.
Junto a la combustión también es posible obtener
productos de reacción, por ejemplo en la combustión de gas de
cloruro de hidrógeno para la síntesis de cloruro de hidrógeno. Para
ello, en un perfeccionamiento preferido de la invención está
previsto que el dispositivo presente una unidad para producir o
separar productos de reacción de la sustancia combustible/el agente
oxidante quemado. Está previsto, especialmente para la síntesis de
cloruro de hidrógeno, que el dispositivo esté diseñado para un
compuesto clorado en la sustancia combustible, así como hidrógeno
en el agente oxidante para la combustión del cloruro de hidrógeno,
y que presente para ello una unidad técnica de procesos detrás de
la cámara de combustión, para la producción de cloruro de hidrógeno
o ácido clorhídrico. La disposición mencionada es conocida para el
experto. En ello debe comentarse especialmente que sean tenidas en
cuenta las unidades de seguridad correspondientes y que los
materiales sean correspondientemente resistentes a la corrosión
frente al cloro.
Como ya se ha explicado anteriormente, la
invención no solo puede utilizarse para la combustión y para la
síntesis de cloruro de hidrógeno sino también como unidad para las
post-combustión de gases de escape y en ello,
especialmente, para purificar. De esta manera es posible, en algunos
de los ejemplos de realización representados en la descripción
subsiguiente, tratar sin problemas mediante
post-combustión parte de los compuestos orgánicos
que contienen cloro y eliminarlos así intactos.
Otras medidas y particularidades de la invención
resultan de la descripción subsiguiente de ejemplos de realización
haciendo referencia a los dibujos adjuntos. En los dibujos se
muestra:
La figura 1, es un quemador poroso de grafito
impregnado con resinas artificiales, con perforaciones para el
enfriamiento de la envoltura de grafito;
La figura 1a, es un corte del quemador poroso
según la figura 1, sin embargo, con elementos estáticos de mezclado
en la cámara de premezclado;
La figura 2, es un quemador poroso como la figura
1, pero sin cámara de premezclado;
La figura 2a, es un recorte por la zona A del
quemador según la figura 2, para la visualización de la mezcla;
La figura 3, muestra un quemador poroso según la
figura 1, con enfriamiento por camisa por el gas de combustión, y
un empaquetamiento ordenado como relleno de la cámara de
combustión;
La figura 4, muestra un quemador poroso con una
camisa de refrigeración de acero;
La figura 4a, muestra un corte a través de la
cámara de premezclado con tubos de entrada tangenciales para los
gases;
La figura 5, muestra un quemador poroso para la
post-combustión de los gases de escape mediante una
mezcla de gas de combustión/aire;
La figura 6, muestra una instalación técnica de
procesos para producir ácido clorhídrico, con un quemador poroso,
un intercambiador de calor, un aparato de absorción, un lavador de
gases y retroalimentación del producto;
La figura 7, muestra una instalación técnica de
procesos para la post-combustión de gases de
escape clorados o hidrocarburos clorados, con un quemador poroso,
un Quenche (enfriador) y un lavador.
Para los ejemplos de realización siguientes se
eligió especialmente un tipo de quemador, en particular, el
quemador 1 poroso ya explicado en detalle anteriormente, que
presenta ventajas especiales frente a otros tipos de quemadores con
los que puede configurarse la invención. La característica esencial
de la invención consiste en que la llama se enfría mediante el
suministro de un gas adicional a la mezcla de sustancia
combustible/agente oxidante, lo que puede realizarse en todos los
tipos de quemadores concebibles. Por ello, la descripción
subsiguiente de los ejemplos de realización, únicamente sobre la
base del quemador 1 poroso, no debe ser tomada como limitativa.
Una forma de realización general del quemador 1
poroso para procesos químicos está representada en la figura 1. La
carcasa del quemador 1 poroso está compuesta por grafito impregnado
con resina artificial y es atravesada por dos conductos 2 de
enfriamiento, a través de los cuales se conduce el refrigerante,
por ejemplo el agua de refrigeración. Además se muestran dos zonas A
y C definidas por cuerpos de relleno en forma de bolas. La zona C
actúa en él como zona de combustión, en la que se desarrolla la
llama. En la zona A se impide una inflamación mediante un
dimensionamiento correspondiente. Con este objetivo, la zona C de
combustión está rellena con cuerpos 3 de relleno en forma de bolas
más grandes, por el contrario, la zona A con cuerpos 3' de relleno
en forma de bolas más pequeñas.
En una parte 4 inferior se encuentran los
conductos 6 de entrada de gases que desembocan tangencialmente en
la cámara 5 de premezclado, como también se muestra detalladamente
en la figura 3a. A causa de la entrada tangencial, tiene lugar un
mezclado efectivo mediante turbulencias.
Además, en la cámara de premezclado está previsto
un escape 7 de condensados, cuya posición se fija según la posición
de montaje del quemador 1 apuntando hacia abajo, para que el
condensado pueda salir. Además, la cámara 5 de premezclado puede
estar dotada, según fuera necesario, de elementos 10 estáticos de
mezclado, como puede verse en detalle en la figura 1a como corte de
la figura 1. Para facilitar la limpieza, la parte 4 inferior está
sujeta a la carcasa del quemador 1 poroso mediante un dispositivo 8
de sujeción, de manera que se pueda soltar.
Para conseguir una combustión esencialmente
adiabática, la cámara C de combustión está protegida térmicamente
por un aislamiento 9 de cerámica, frente a la pared enfriada de la
carcasa del quemador 1 poroso. En la salida 11 de gases, la cámara
C de combustión está cubierta con una rejilla 12, que impide que
los cuerpos de relleno del quemador 1 poroso se caigan en el caso de
un montaje que no esté en vertical. Otra rejilla 13, entre las
zonas A y C, impide que los cuerpos de relleno pequeños de la zona
A sean soplados hacia los espacios intermedios de los cuerpos de
relleno de la zona C. La rejilla 14, que también se ve en la figura
1, separa la cámara 5 de premezclado de la zona A. En la pared de
la cámara de combustión del quemador 1 poroso y del aislamiento 9
están previstas una abertura 15 continua para la medición de la
temperatura y una abertura 16 para el encendido de la mezcla. Para
bajar la temperatura de la llama por debajo de la temperatura
máxima, en la que las bolas 3 no se funden, se suministra a la
cámara de premezclado un gas adicional, como vapor de agua, gas de
escape de la combustión u otro gas.
En la figura 2 se muestra un quemador 1 poroso
que trabaja de forma idéntica que el de la figura 1. Sin embargo, a
diferencia del de la figura 1, no está prevista aquí una cámara de
premezclado. Los gases se introducen mediante conductos 6
directamente en la zona A. El flujo a través de los espacios
intermedios entre las bolas 3' lleva a una distribución muy
uniforme, de manera que los gases introducidos por los conductos 6
en la zona A se mezclan especialmente bien. Como se puede ver en la
figura 2a, los conductos 6 presentan un gran número de orificios que
se ocupan principalmente de una distribución uniforme en la base
del quemador 1 poroso y que pueden evitar un retroceso de la llama
a los conductos 6, si están dimensionados lo suficientemente
pequeños.
Además, dos de los gases de combustión, por
ejemplo Cl_{2} y H_{2} se conducen por diferentes conductos 6,
que en la zona A están distanciados lateralmente y están
introducidos desde lados opuestos, de manera que tampoco pueda
resultar ninguna mezcla casual en las proximidades del suministro
principal, por ejemplo a causa de fugas, que pueda conducir en algún
lugar a una explosión.
En la figura 3 se muestra otra forma de
realización, en la que los mismos gases de combustión, por ejemplo
el hidrógeno, se ocupan del enfriamiento y la eliminación de calor
correspondiente. Para ello, el hidrógeno se conduce en primer lugar
a través de conductos de enfriamiento de la pared de la cámara de
combustión del quemador 1 poroso, antes de entrar a través del
conducto 6 de entrada en la parte 4 inferior a la cámara de
premezclado, como se indica por las flechas en los lados izquierdo
y derecho de la figura 3. El cloro entra por otro conducto 6 de
entrada de gas. Un gas extraño se sopla a través de otro conducto 6
de entrada de gas a la cámara 5 de premezclado, como se ve en
detalle en la figura 4a. En esta forma de realización, el
dimensionamiento del aislamiento debe adaptarse a la capacidad de
absorción térmica del hidrógeno.
En este ejemplo, la cámara C de combustión está
rellena con un empaquetamiento 3'' estructurado, con el que se
mejora la mezcla de los reactantes frente al empaquetamiento de
bolas según la figura 1. Tales empaquetamientos 3'' son
especialmente adecuados para estos casos, en los que los gases no
contienen materias sólidas como el hollín.
En la figura 4 se muestra otro ejemplo de
realización de un quemador 1 poroso, que está envuelto por una
pared de grafito, que está rodeada por una envoltura 17 de acero
enfriada con agua. En este caso, la pared de grafito del quemador 1
poroso no necesita conductos de enfriamiento interiores, entre
otros, por la conductividad calorífica elevada del carbono.
El agua de refrigeración entra por el tubo 18 en
el área 19 de la envoltura, de la envoltura 17 de acero, y la
abandona a través de un tubo 20. El quemador 1 poroso representado
en la figura 4 está dotado, para demostrar también aquí otra
configuración referente a la zona C, de anillos 3''' de relleno de
cerámica que presentan una forma cilíndrica con estructuras
interiores. Por medio de este tipo de estructuras aumenta sobre todo
la superficie, frente al ejemplo de la figura 1.
La figura 4a muestra aquí a modo de ejemplo la
disposición de los conductos 6 de entrada para la cámara 5 de
premezclado. Preferiblemente, los gases de combustión y los gases
inertes se suministran por conductos 6 de entrada contiguos con
respecto al perímetro, para reducir la velocidad de la llama de la
mezcla, por ejemplo el hidrógeno por el 6', el cloro por el 6'' y
los gases de recirculación por el 6'''. Los condensados pueden salir
de la cámara de premezclado por el tubo 7.
En la figura 5 se muestra un quemador 1 poroso
para la post-combustión de gases que contienen
cloro. Se diferencia de la forma de realización descrita en la
figura 1 por una cámara 5 de premezclado modificada, en la que
desembocan un conducto 21 de entrada de gas dimensionado más
grande, por el que fluyen los gases premezclados, el aire como
agente oxidante y la sustancia combustible, y un conducto 22 de
introducción de gas que sobresale dentro de la cámara 5 de
premezclado, por el cual se conduce el gas de escape a tratar
mediante post-combustión. El conducto 22 de
introducción de gas está dotado en su superficie lateral de
orificios 23, a través de los cuales el gas de escape a tratar
mediante post-combustión entra en la cámara 5 de
premezclado y se mezcla con el flujo de gas de combustión, que
fluye alrededor del tubo. Aquí, el escape 7 de condensados está
dispuesto lateralmente, al contrario que en las representaciones de
las figuras 1-3. La cámara 5 de premezclado se
extiende por debajo de la zona A con la misma sección que la de la
zona C. Esta extensión aumenta la carga posible de gases del
quemador.
En la figura 6 se muestra un esquema simplificado
de una instalación para la producción de ácido clorhídrico, en la
que está integrado un quemador 1 poroso, por ejemplo del tipo según
la figura 3. En ello, los gases de combustión hidrógeno y cloro se
suministran a un quemador 1 poroso por conductos de suministro 25,
26. Los productos de reacción llegan desde éste al intercambiador
28 de calor para el enfriamiento, a través de un conducto 27. El
intercambiador de calor puede enfriarse, por ejemplo, con agua.
Pero también es posible alternativamente un aprovechamiento del
calor, produciendo allí agua caliente o vapor de baja presión para
el uso ulterior.
Una parte de los gases enfriados que salen del
intercambiador de calor se desvía por un conducto 29 y se
suministra a través de un conducto 30 de suministro a la mezcla de
sustancia combustible/agente oxidante antes del quemador. La
regulación de la temperatura se realiza a través de un punto 31 de
medición correspondiente y una válvula 32 regulada por la
temperatura.
La otra parte de los gases llega a través de un
conducto 33 por ejemplo a un aparato 34 de absorción de película
descendente, en el que el cloruro de hidrógeno se absorbe en agua o
ácido clorhídrico diluido y se retira desde el tubo 35. El lavador
representado aquí como aparato 34 de absorción de película
descendente puede funcionar con corriente continua, como está
representado, o también a contracorriente. Las partes no
absorbibles e incluso las partes insignificantes de cloruro de
hidrógeno llegan entonces a un relavador 36, en el que las partes
restantes de cloruro de hidrógeno se lavan mediante agua fresca
suministrada por el conducto 37. Preferiblemente, el agua de lavado
enriquecida con cloruro de hidrógeno se utiliza como líquido de
absorción para el aparato de absorción y por ello se
retroalimenta.
La figura 7 muestra otra representación
esquemática de una instalación que puede utilizarse, por ejemplo,
para la post-combustión de compuestos clorados y
gases de escape de otras instalaciones u otras partes de la
instalación con un bajo contenido de cloro.
Mediante una llama de apoyo, producida por gas
natural suministrado a través de los conductos 38 y 39 y aire, se
trata mediante post-combustión en un quemador 1
poroso, el gas de escape, suministrado a través de un conducto 40,
con por ejemplo compuestos clorados. En este ejemplo, la temperatura
de combustión del quemador 1 poroso se regula con la ayuda de aire
adicional a través de una válvula 41, siempre y cuando el efecto de
enfriamiento del gas a tratar mediante
post-combustión, suministrado a través del conducto
40, no alcance o tenga éste un poder calorífico que deba ser tenido
en cuenta. Naturalmente, para la regulación de la temperatura
también se pueden suministrar otros gases, por ejemplo gases
inertes, o vapor de agua si las condiciones exteriores
suplementarias lo requieren. Si la temperatura de la combustión es
inferior al valor teórico predeterminado se debe aumentar la
potencia calorífica mediante el suministro de gas natural.
Los gases de escape pueden introducirse en un
intercambiador de calor, aquí no representado, para el
aprovechamiento del calor o pueden ser enfriados directamente, como
es habitual en instalaciones pequeñas. Tras el Quenche (enfriador),
los gases enfriados por choque térmico llegan a un lavador 42, en
el que los gases de escape son relavados primero con un líquido de
recirculación y luego con agua fresca suministrada a través del
conducto 37. Una parte del agua de lavado se somete a un
tratamiento ulterior. Sin embargo, esto no está representado en el
dibujo.
El gas de escape purificado escapa por un
conducto 43 mientras que el ácido clorhídrico diluido puede
retirarse por un conducto 44.
Las ventajas especiales de un quemador 1 poroso
en tales instalaciones consisten en las excelentes posibilidades de
regulación de la temperatura de combustión y en su estabilidad en
la combustión. El efecto estabilizante de los materiales calientes
de cerámica en la zona C tiene un efecto positivo frente a cambios
repentinos de la composición del gas de escape a tratar mediante
post-combustión. Los otros parámetros de la
combustión, como el requerimiento de gas natural y aire para
mantener la temperatura teórica en la zona de combustión, pueden
adaptarse rápidamente sin que se interrumpa la combustión. Las
temperaturas de combustión hasta 1600ºC son posibles con las masas
cerámicas de óxido habituales de los comercios.
Resultados del ensayo de los procedimientos
descritos y de los dispositivos utilizados para ello:
Se produce cloruro de hidrógeno a partir de
hidrógeno (1,12 m^{3}/h) y cloro (1,09 m^{3}/h) con un quemador
1 poroso según la figura 1, en una instalación piloto según la
figura 5. Como gas inerte, es decir como gas adicional para bajar
la temperatura de la llama, se inyectó en la cámara de premezclado
de forma adicional aproximadamente 0,73 kg/h de vapor de agua. Con
un exceso estequiométrico de hidrógeno del 3%, se determinó un
contenido de cloro libre menor que 3 ppm en el ácido clorhídrico,
con un 30% en peso de HCl producido por combustión.
Un gas de escape que contenía un cloruro de
metilo se trató mediante post-combustión en un
quemador 1 poroso según la figura 5, en una instalación según la
figura 7, en una llama de apoyo con 0,17 m^{3}/h de gas natural y
1,54 m^{3}/h de aire. Como gas de escape se introdujo, a 0,35
m^{3}/h, un gas de post-combustión con
aproximadamente 0,1% de cloruro de metilo en aire. La temperatura
del gas de escape, que escapaba del quemador poroso, fue de
aproximadamente 1100ºC. El contenido de cloruro de metilo en el gas
de escape fue menor que 12 ppm.
Un ensayo con una instalación según la figura 6 y
un quemador 1 poroso según la figura 1 dio, para la combustión de
0,12 m^{3}/h de cloro con 0,2 m^{3}/h de gas natural (metano) y
2,8 m^{3}/h de aire, los siguientes resultados: Se produjo ácido
clorhídrico al 30% sin hollín. El contenido de monóxido de carbono
en el gas de escape fue menor que el 0,5%. No se pudieron detectar
subproductos, como dioxinas policloradas o furanos, ni en el ácido
ni en el gas de escape. El contenido de cloro en el ácido fue menor
que 50 ppm.
Bajo condiciones suplementarias desfavorables
podría tratarse el gas de escape nuevamente mediante
post-combustión con un gran exceso de aire, con un
dispositivo según la figura 5.
Además se realizaron ensayos con una temperatura
de la cámara de combustión considerablemente reducida, en un
quemador según la figura 1. Con 1,06 m^{3}/h de hidrógeno, 1,04
m^{3}/h de cloro y 1,02 kg/h de vapor de agua resultó, incluso a
una temperatura baja de la cámara de combustión de \sim600ºC,
únicamente un bajo contenido de cloro en el ácido obtenido, menor
que 3 ppm.
Como muestran los ejemplos, los tipos de
quemadores mencionados anteriormente posibilitan de manera sencilla
la realización de reacciones químicas fuertemente exotérmicas tanto
en un volumen pequeño como también en forma esencialmente
adiabática. Las normas de seguridad pueden cumplirse de manera
sencilla. Con ello, el tipo de quemador descrito en el presente
documento demuestra ser superior en todos los requisitos que los
quemadores tradicionales para reacciones químicas fuertemente
exotérmicas.
Claims (20)
1. Procedimiento para un quemador para la
combustión de una mezcla (1) de sustancia combustible/agente
oxidante dentro de una cámara de combustión, en el que está
previsto un material (3, 3', 3'', 3''') que soporta una temperatura
máxima, que es menor que la temperatura de combustión de la mezcla
de sustancia combustible/agente oxidante, caracterizado
porque antes de la combustión se suministra un gas adicional, que
no contribuye esencialmente a la combustión, como un gas inerte o
vapor de agua o el gas de escape de la combustión o de una
post-combustión, con el que se reduce la temperatura
durante la combustión a un valor por debajo de la temperatura
máxima.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la mezcla de sustancia
combustible/agente oxidante y el gas adicional suministrado se
mezclan en un dispositivo (5) de premezclado, que está conectado
antes del quemador (1), al menos parcialmente.
3. Dispositivo con un quemador para la combustión
de una mezcla de sustancia combustible/agente oxidante dentro de
una cámara de combustión, en el que está previsto un material (3,
3', 3'', 3''') que soporta una temperatura máxima, con uno o varios
conductos (25, 26) de suministro para la sustancia combustible así
como para el agente oxidante, para introducirlos en la cámara de
combustión, caracterizado porque este dispositivo para la
combustión, con una temperatura de combustión de la mezcla de
sustancia combustible/agente oxidante por encima de la temperatura
máxima, está dimensionado previendo al menos otro conducto (30), a
través del que puede suministrarse un gas adicional, especialmente
de valor calorífico bruto bajo, a la cámara de combustión, con el
que puede reducirse la temperatura durante la combustión a un valor
por debajo de la temperatura máxima.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque el producto de la combustión de la
cámara de combustión, con el que puede reducirse la temperatura
durante la combustión, se introduce al menos parcialmente como gas
adicional a través de un conducto (30).
5.- Dispositivo según las reivindicaciones 3 ó 4,
caracterizado porque está prevista una cámara (5) de
premezclado para la mezcla de sustancia combustible/agente
oxidante, en la que pueden mezclarse la sustancia combustible y el
agente oxidante antes de la combustión.
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque la cámara (5) de premezclado está
dimensionada de tal manera, que la componente de velocidad de flujo
de la mezcla, referida a la dirección hacia la cámara de
combustión, sea mayor en la cámara (5) de premezclado que la
velocidad de la llama en la cámara de combustión.
7. Dispositivo según las reivindicaciones 5 ó 6,
caracterizado porque a la cámara (5) de premezclado también
se le suministra el gas adicional, con el que puede reducirse la
temperatura de combustión, para mezclarlo con la sustancia
combustible/el agente oxidante, preferiblemente mezclarlo con la
sustancia combustible o el agente oxidante antes de la cámara (5) de
premezclado.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
5 a 7, caracterizado porque la superficie lateral se elige
tan grande en relación con el volumen de la cámara (5) de
premezclado, que la energía libre de una deflagración pueda ser
absorbida, dado el caso, por la pared lateral.
9. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por un enfriamiento de
la cámara (5) de premezclado.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones
3 a 9, caracterizado porque está previsto en la cámara de
combustión un material (3, 3', 3'', 3''') poroso con cavidades
comunicantes, adecuadamente grandes para el desarrollo de una
llama.
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado por un material (3, 3', 3'', 3''') poroso con
cavidades comunicantes, cuya porosidad cambia en la dirección del
desarrollo de la llama hacia poros más grandes, dando como
resultado, para la dimensión de los poros en una superficie de
separación interna, un número de Péclet crítico, número sobre el
que tiene lugar el desarrollo de la llama y bajo el que ésta se
inhibe.
12. Dispositivo según la reivindicación 11,
caracterizado porque la cámara de combustión presenta al
menos dos zonas (A, C) con material (3, 3', 3'', 3''') de
diferentes tamaños de poro, entre las que el tamaño de poro da como
resultado el número de Péclet crítico.
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones
10 a 12, caracterizado porque el material (3, 3', 3'', 3''')
con cavidades comunicantes presenta al menos parcialmente una
acumulación de cuerpos, como los que se utilizan para acumulaciones
de cuerpos de relleno o empaquetamientos ordenados en los
procedimientos térmicos de separación, como bolas o rellenos en
forma de montura.
14. Dispositivo según la reivindicación 13 con
una superficie de separación para las zonas de diferente porosidad
según la reivindicación 12, caracterizado porque en la
superficie de separación está prevista una reja, como una rejilla
(13), para impedir la descarga de los cuerpos de una zona hacia la
otra.
15. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque la reja, especialmente la rejilla (13),
se enfría.
16. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 3 a 15, caracterizado porque la cámara de
combustión está dimensionada para la estabilidad de la llama en
condiciones de sobre y sub-presión.
17. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque está previsto
un aislamiento (9) de la cámara de combustión para una dirección
aproximadamente adiabática de la combustión, sin efectos térmicos
de la pared.
18. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 17, caracterizado por una unidad para la producción o
separación de los productos de reacción de la sustancia
combustible/el agente oxidante quemados.
19. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque está dimensionado para cloro o un
compuesto clorado, así como hidrógeno o un compuesto hidrogenado,
en la mezcla de sustancia combustible/agente oxidante, para
producir cloruro de hidrógeno mediante combustión y porque presenta
una unidad técnica de procesos detrás de la cámara de combustión,
para la producción de cloruro de hidrógeno o ácido clorhídrico.
20. Uso de uno de los dispositivos según las
reivindicaciones 3 a 19 y/o uso del procedimiento según las
reivindicaciones 1 ó 2 para la purificación de gases de escape.
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