JP2018535911A - ガス混合物を生成するための、新たなタイプの燃焼デバイス - Google Patents

ガス混合物を生成するための、新たなタイプの燃焼デバイス Download PDF

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Abstract

本発明は、ハロゲン化水素化合物を生成するための、新たなタイプの燃焼デバイスに関する。

Description

本発明は、ハロゲンの水素化合物を生成するための、新たなタイプの燃焼デバイスに関する。
塩化水素とも呼ばれる塩酸は、化学工業において多くの異なる方法で使用および処理されている。典型的な応用分野は、塩素アルカリ電気分解または塩化ビニルの生産である。塩酸はしばしば、例えば、有機化合物の塩素化における副生成物として得られる。しかし、塩酸の需要はこの方法では満たすことができない。
したがって、合成物生産工業では、特耐食性の塩化水素合成設備が使用されている。これらの設備では、塩素ガスと水素ガスが、最大2500℃の温度で反応し、それによって塩化水素ガスが形成する。燃焼反応は、燃焼室内で起こる。供給ガスがそれを通って燃焼室に流入するバーナーは、2つの同心管からなり、塩素ガスが内側管を介して供給され、水素ガスが外側管を介して供給される。燃焼反応は、バーナー上方の火炎内で起こる。できるだけ高い塩素の変換率を達成するために、5から15%の過度の水素が通常セットされる。反応は、燃焼室の出口のところで完了し、形成された塩化水素ガスが、合成手段の吸収部を通って流れ、そこで吸収されて、塩酸が形成する(特許文献１)。
塩化水素の生成における1つの問題は、不完全な燃焼の問題であり、それにより、生成酸中の遊離塩素の割合がより高くなる。反応ガスが不十分に混合される結果として、火炎の幾何形状が非常に長く細くなり、それにより、大きな燃焼室が必要になる。このことが、コストレベルに悪影響を及ぼす。
米国特許第９４１５３６４号明細書
したがって、本発明の目的は、ハロゲン化水素を生成するための燃焼デバイスであって、そのデバイスによって、ハロゲンガスと水素ガスの混合の改善が達成され、生成物中の遊離ハロゲン含有量が低減される、燃焼デバイスを提供することである。
この目的は、少なくとも2つの同心に配置された燃焼管を備える、ハロゲン化水素を生成するための燃焼デバイスであって、内側燃焼管内に旋回発生器が配置される、燃焼デバイスによって達成される。
本発明の文脈では、ハロゲン化水素は、臭化水素および塩化水素であるとみなされ、塩化水素が好ましくは使用される。以下において塩素ガスまたは塩化水素について言及される場合、同じことが、臭素ガスまたは臭化水素にも当てはまる。
本発明の文脈では、同心に配置された燃焼管とは、内側燃焼管が外側燃焼管内に配置され、内側燃焼管が外側燃焼管の中心に配置される(図3参照)ことを意味するものと理解される。内側燃焼管は、塩素ガス用の輸送管として使用され、一方水素ガスは、内側燃焼管と外側燃焼管との間の間隙を介して供給される。本発明の文脈では、旋回発生器とは、塩素ガスを旋回運動の形で流す構成要素を意味するものと理解される。旋回発生器から乱流が生じる結果として、塩素と水素との間の境界面も拡大され、これは、混合の改善が達成され、したがって、燃焼室内にガスを維持することの必要な時間が短縮され、その結果として、旋回発生器を有していないバーナーと比較してより短くより安定した火炎が得られる、ということを意味する。火炎がより短いことにより、より小型の合成設備の使用が可能になり、火炎がより安定していることにより、連続したプロセスがもたらされる。火炎がどれだけ短くなるか、また火炎がどのように安定するかは、合成ユニットの寸法と容量の両方に応じて決まる。内側燃焼管内に旋回発生器を使用し、水素を外側燃焼管から外に軸方向に放出することによって、反応ガスの混合の改善が達成され、バーナー出口の付近に再循環ゾーンが形成される。再循環ゾーンでは、高温ガスが燃焼デバイス出口に向かって引き戻され、その結果として、燃焼デバイスから放出されるガスが予熱される。これにより、変換率がより高くなり、すなわち遊離塩素含有量が低減し、火炎が安定する。
塩素ガスの質量流量が水素ガスの質量流量よりも20倍大きいので、旋回発生器は塩素ガスの供給流内に位置付けられる。したがって、旋回効果がより良好に利用され得る。質量流量とは、単位時間当たりに断面を通って移動する質量を意味するものと理解される。火炎の長さ、形状、安定性、および強さは、旋回発生器によって調整され得る。
有利には、旋回発生器は、内側燃焼管内に接着され、押し込まれ、またはスピンドルによって取り付けられる。
外側燃焼管および内側燃焼管は、有利には、同じ高さのところで途絶されている。結果として、ガスは最初に、燃焼デバイスから外に放出され次第直ちに混合される。これはしたがって、非予混合燃焼である。
外側燃焼管および内側燃焼管は、有利には、1つの部片として、または複数の区分から構築される。
外側燃焼管、内側燃焼管、および旋回発生器は、有利には、好ましくは黒鉛、合成黒鉛、合成樹脂を含浸させた黒鉛、炭化ケイ素、炭化ケイ素で被覆した黒鉛、石英ガラス、酸化アルミニウム、またはそれらの任意の混合物からなる群から選択された耐食材料製である。外側燃焼管、内側燃焼管、および旋回発生器は、特に好ましくは、黒鉛、合成黒鉛、合成樹脂を含浸させた黒鉛、またはそれらの混合物製であり、最も好ましくは、黒鉛、合成黒鉛、フェノール樹脂を含浸させた黒鉛、またはそれらの任意の混合物製である。
旋回発生器は、内側燃焼管の内径の、好ましくは0.5から2倍の長さ、好ましくは1から1.5倍の長さである。本発明の文脈では、内側燃焼管の内径(DI Innen)とは、内側燃焼管の径、すなわち管壁を含まない径を意味するものと理解される。内側燃焼管の径とは、内側燃焼管の外径(DA Innen)(図3参照)を意味するものと理解される。長さが内側燃焼管の内径の0.5倍よりも小さい場合、それは、供給された塩素ガスを旋回させるのに十分なほど長くはない。したがって、旋回発生器の好影響は現れない。長さが内側燃焼管の内径の2倍よりも大きい場合、供給された塩素ガスは2回旋回し、2倍の旋回は、旋回発生器の好影響に対するさらなる改善をもたらさない。
旋回発生器は、有利には30mmから300mmの、好ましくは30から280mmの外径を有する。
本発明の文脈では、旋回発生器の外径とは、旋回発生器のコアとガイドベーン(図4b参照)とからなる径を意味するものと理解される。旋回発生器が、より小さな外径を有する場合、塩素ガスの速度が大いに増加し、その結果として、混合時間が低減し、したがって変換率も低減する。外径がより大きい場合、塩素ガスの速度が減少し、発生した乱流がそれほど顕著ではなく、したがって、水素ガスと塩素ガスの混合もより少なく、したがって、変換率もより低く、したがって生成物中の遊離塩素含有量がより高くなる。
旋回発生器のコア径と外径の比は、有利には1:2.5から1:1.5、好ましくは1:2から1:1.5である。
本発明の文脈では、コア径とは、旋回発生器の、ガイドベーンを含まない径を意味するものと理解される。コア径と外径の比が1:2.5未満である場合、塩素ガスの速度が減少し、その結果として、発生した乱流がそれほど顕著ではなく、したがって、水素ガスと塩素ガスの混合もより少なく、したがって、変換率もより低く、したがって生成物中の遊離塩素含有量がより高くなる。
コア径と外径の比が1:1.5よりも大きい場合、塩素ガスの速度が非常に高くなり、その結果として、水素ガスと塩素ガスの混合時間が低減し、それにより変換率も低減し、したがって、生成物中の遊離塩素含有量が増加する。
有利な一実施形態では、旋回発生器が、少なくとも2つのガイドベーン、好ましくは少なくとも4つのガイドベーンを備える。2未満のガイドベーンがある場合、副流路ごとの質量流量が高くなりすぎ、それにより、不均一な火炎が生じる。さらに、水素ガスと塩素ガスの混合がより少なくなる。
水素ガスと塩素ガスが十分に混合されるように、ガイドベーンが旋回発生器のコアの周りに対称的に分配されることが有利である。
平面図において、ガイドベーンは、有利には、矩形または台形である。
さらなる有利な一実施形態では、流れを受ける旋回発生器の総断面エリアに基づく自由断面エリアが、15から75%、好ましくは20から65%である。流れを受ける旋回発生器の総断面エリアに基づく自由断面エリアが、15%よりも小さい場合、塩素ガスの速度が高くなりすぎ、その結果として、変換率が低減する。流れを受ける旋回発生器の総断面エリアに基づくこの断面エリアが、75%よりも大きい場合、塩素ガスの速度が低くなりすぎ、その結果として、変換率が低減する。本発明の文脈では、自由断面エリアとは、ガイドベーン間の自由表面エリアの総計、すなわち塩素ガスがそれを通って流れる領域を指す。流れを受ける旋回発生器の総表面エリアとは、旋回発生器の総断面エリアを意味するものと理解される。
さらなる有利な一実施形態では、ガイドベーンが、長手方向軸に沿って螺旋状に延在する。
本発明の文脈では、長手方向軸とは、塩素ガス流の方向に延在する軸と意味するものと理解される。
ガイドベーンのピッチは、有利には1から2、好ましくは1である。ピッチとは、旋回発生器のコアの周りをガイドベーンが一巡する回数を意味するものと理解される。ピッチが2よりも大きい場合、塩素ガス流は、2回を上回って旋回し、水素ガスと塩素ガスの混合に対するさらなる改善は達成されない。
ガイドベーンは、有利には35°から85°の、好ましくは40°から75°の、最も好ましくは60°の平均入射角を有する。本発明の文脈では、平均入射角とは、流入する流体の方向とガイドベーンの表面との間の角度(図4a参照)を意味するものと理解される。
この平均入射角は、塩素ガスの速度分布および塩素ガスの戻り流に重要な影響を及ぼし、それにより、火炎が安定する。平均入射角が35°よりも小さい場合、塩素ガス流が力強く旋回し、火炎が非常に幅広くなり、それにより、燃焼室壁の温度が増加する。平均入射角が75°よりも大きい場合、塩素ガスは旋回しない。
供給された水素ガスは、有利には、外側燃焼管から外に軸方向に放出される。水素ガスを外側燃焼管から外に軸方向に放出すると、内側燃焼管から供給された塩素ガスが、外側燃焼管と内側燃焼管との間の間隙から軸方向に放出される水素ガスによって押され、その結果として、水素ガスと塩素ガスの混合が増加するので、水素ガスと塩素ガスの混合が改善し、その結果として、変換率が増加し、したがって、生成物中の遊離塩素含有量が低減する。
さらなる有利な一実施形態では、内側燃焼管内の、流れを受ける旋回発生器の側に、スピンドルが配置される。流れを受ける旋回発生器の側とは、塩素ガス供給部に面する側を意味するものと理解される。スピンドルによって、旋回発生器が内側燃焼管内に固定され、塩素ガス流が旋回発生器の流路内、すなわちガイドベーン間の空間内に誘導される。スピンドルは、1つの部片として、または複数の部分から構築され得る。スピンドルの長さは限定されない。
スピンドル径とコア径とは、有利には等しい。これにより、塩素ガスが旋回発生器に流入する際のさらなる乱流が回避される。外側燃焼管の径は、有利には、燃焼室に向かって狭まる。結果として、水素ガスの速度が増加し、それにより、水素ガスと塩素ガスの混合が改善し、その結果として、変換率が増加し、したがって、生成物中の遊離塩素含有量が低減する。
さらなる有利な一実施形態では、旋回発生器が、旋回発生器の外径の最大で2倍まで内側燃焼管内に引っ込んでいる。
これは、旋回発生器が、燃焼デバイス出口上で、内側燃焼管および外側燃焼管と同一平面上で途絶しているのではなく、その代わりに、ガス供給部に向かって引っ込んでいることを意味する。
引っ込み深さと内側燃焼管の内径の比は、好ましくは1:1である。旋回発生器が引っ込んでいることにより、旋回した塩素ガス流が短い管区分内を案内されてから、燃焼デバイス出口のところで塩素ガス流が広がる。結果として、噴射の広がりが抑えられ得、したがって、燃焼室壁にかかる温度負荷が低減され得る。さらに、旋回発生器が引っ込んでいることにより、水素ガスと塩素ガスの一定した混合が達成され、その結果として、変換率が増加し、したがって、生成物中の遊離塩素含有量が低減する。さらに、反応ゾーンが、燃焼室の総断面全体にわたって分布し、燃焼室壁の温度が低下する。
旋回発生器がさらに引っ込むほど、バーナー出口のところでの旋回が小さくなる。引っ込み深さが、旋回発生器の外径の2倍を上回る場合、旋回が消失し、旋回発生器は、水素ガスと塩素ガスの混合の改善をもたらさない。
以下では、単に例として、有利な実施形態によって、添付の図面を参照しながら、本発明について説明する。本発明は、図によって限定されない。
ハロゲン化水素合成ユニットの一部分の断面図である。 燃焼デバイスの断面図である。 燃焼デバイスの上部領域からの詳細の断面図である。 旋回発生器を示す図である。 旋回発生器の平面図である。 スピンドルを備える旋回発生器の断面図である。
図1は、ハロゲン化水素合成ユニットの一部分の断面図である。ガスが燃焼室(2)に、燃焼デバイス(1)によって供給される。ガスは、バーナー出口(3)のところで燃焼デバイスから外に放出される。燃焼室(2)内では、供給されたガスが燃焼によって反応し、火炎(4)を形成する。
図2は、2つの同心に配置された燃焼管、すなわち内側燃焼管(7)および外側燃焼管(8)を備える、燃焼デバイス(1)を示す。内側燃焼管(7)内に旋回発生器(9)が配置され、前記旋回発生器は、スピンドル(10)を介して取り付けられる。水素ガスが、内側燃焼管と外側燃焼管との間の間隙を経て輸送され、水素ガスは、供給部(6)を介してバーナーに供給される。塩素ガスは、(5)を介して内側燃焼管に供給される。
図3は、2つの同心に配置された燃焼管、すなわち内側燃焼管(7)および外側燃焼管(8)を備える燃焼デバイス(1)の、上部領域からの詳細の断面図である。内側燃焼管(7)は、内径DI Innenおよび外径DA Innenを有する。旋回発生器(12)が、内側燃焼管(7)内に位置付けられる。旋回発生器(12)は、ガイドベーン(11)およびコア(9)を備え、旋回発生器のコアは、径DKernを有する。旋回発生器(9)は引っ込んでおり、というのも、旋回発生器(9)はバーナー出口のところで内側燃焼管(7)および外側燃焼管(8)と一緒には途絶していないためである。
図4aは、旋回発生器(12)を示す。旋回発生器(12)は、ガイドベーン(11)を備え、前記ガイドベーンは、平均入射角yを有する。
図4bは、旋回発生器(12)の平面図であり、旋回発生器(12)は、ガイドベーン(11)、コア(9)、および外径(14)を有する。塩素ガスがそれを通って流れる自由断面エリア(15)が、ガイドベーン(11)間にある。
図5は、旋回発生器(12)の断面図であり、この旋回発生器はスピンドル(13)を備える。
以下では、本発明を限定しない実施形態によって、本発明について説明する。
黒鉛製の外側燃焼管(8)および内側燃焼管(7)を準備する。2つの管は、40cmの長さを有する。外側燃焼管(8)は、18cmの外径を有する。内側燃焼管(7)は、12cmの径(DA Innen)を有する。内側燃焼管(7)に、黒鉛製の旋回発生器(9)を挿入する。旋回発生器(9)は、14cmの長さを有し、ガイドベーンが、60°の平均入射角yを有する。自由断面エリアは25%である。旋回発生器のコアは、5cmの径を有する。旋回発生器は、内側燃焼管(7)および外側燃焼管(8)と同一平面上で途絶しており、内側燃焼管(7)内に接着される。
黒鉛製の外側燃焼管(8)および内側燃焼管(7)を準備する。2つの管は、40cmの長さを有する。外側燃焼管(8)は、18cmの径を有する。内側燃焼管(7)は、12cmの径を有する。内側燃焼管(7)に、黒鉛製の旋回発生器(9)を挿入する。旋回発生器(9)は、14cmの長さを有し、ガイドベーンが、60°の入射角yを有する。自由断面エリアは40%である。旋回発生器のコアは、5cmの径を有する。旋回発生器は、内側燃焼管(7)内に2.5cmだけ引っ込んでおり、内側燃焼管(7)内に接着される。
1 燃焼デバイス
2 燃焼室
3 バーナー出口
4 火炎
5 塩素ガス
6 水素ガス
7 内側燃焼管
8 外側燃焼管
9 旋回発生器のコア
10 スピンドル
11 ガイドベーン
12 旋回発生器
13 スピンドル
14 旋回発生器の外径
15 自由断面エリア

Claims (15)

  1. 少なくとも２つの同心に配置された燃焼管を備える、ハロゲン化水素を生成するための燃焼デバイスであって、内側燃焼管内に旋回発生器が配置された、燃焼デバイス。
  2. 外側燃焼管、前記内側燃焼管、および前記旋回発生器が、好ましくは、黒鉛、合成黒鉛、合成樹脂を含浸させた黒鉛、好ましくはフェノール樹脂を含浸させた黒鉛、炭化ケイ素、炭化ケイ素で被覆した黒鉛、石英ガラス、酸化アルミニウム、またはそれらの任意の混合物からなる群から選択された耐食材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  3. 前記旋回発生器が、０．５から２倍の長さであることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  4. 前記旋回発生器が、３０ｍｍから３００ｍｍの外径を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  5. 前記旋回発生器のコア径と外径との比が、１：２．５から１：１．５であることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  6. 前記旋回発生器が、少なくとも２つのガイドベーンを有することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  7. 流れを受ける前記旋回発生器の総断面エリアに基づく自由断面エリアが、１５から７５％であることを特徴とする、請求項６に記載の燃焼デバイス。
  8. 前記ガイドベーンが、前記旋回発生器の長手方向軸に沿って螺旋状に延在することを特徴とする、請求項６に記載の燃焼デバイス。
  9. 前記ガイドベーンが、３５°から８５°の平均入射角を有することを特徴とする、請求項６に記載の燃焼デバイス。
  10. 供給されたガスが、外側燃焼管から外に軸方向に放出されることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  11. 前記内側燃焼管および外側燃焼管が、同じ高さのところで途絶されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  12. 前記内側燃焼管内の、流れを受ける前記旋回発生器の側に、スピンドルが配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  13. スピンドル径とコア径とが等しいことを特徴とする、請求項１２に記載の燃焼デバイス。
  14. 外側燃焼管の径が、燃焼室に向かって狭まることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
  15. 前記旋回発生器が、前記旋回発生器の外径の最大で２倍まで前記内側燃焼管内に引っ込んでいることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼デバイス。
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