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DE2115978C2 - Vorrichtung zum innigen Vermischen zweier Gasströme - Google Patents

Vorrichtung zum innigen Vermischen zweier Gasströme

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DE2115978C2
DE2115978C2 DE2115978A DE2115978A DE2115978C2 DE 2115978 C2 DE2115978 C2 DE 2115978C2 DE 2115978 A DE2115978 A DE 2115978A DE 2115978 A DE2115978 A DE 2115978A DE 2115978 C2 DE2115978 C2 DE 2115978C2
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Germany
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perforated plate
tubes
gas
gas stream
housing
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Charles Victor Walnut Creek Calif. Sternling
Cornelis Marinus Amsterdam Verheul
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Shell Internationale Research Maatschappij BV
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SHELL INT RESEARCH
Shell Internationale Research Maatschappij BV
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum innigen Vermischen zweier Gasströme gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Mischung derartiger Gasströme ist für die Gewinnung von Acetaldehyd aus Äthylen oder Äthylalkohol, für die Gewinnung von Acetaldehyd und Essigsäure aus Äthan, für die Gewinnung von Isopropanol und Aceton aus Propan, für die Gewinnung von Methylalkohol, Formaldehyd und Acetaldehyd aus Butan, für die Gewinnung von Äthylenoxid aus Äthylen und für die Gewinnung von Phthalsäureanhydrid aus Naphthalin 5 oder Orthoxylol erforderlich, wobei die Gewinnung in einem Reaktor durch katalytische oder thermische Umsetzung erfolgt dem die vermischten Gasströme zugeführt werden.
Derartige Gemische haben bekanntlich die Neigung zur Bildung explosiver oder entflammbarer Zusammensetzungen. Um die Bildung derartiger Zusammensetzungen zu vermeiden, wird bei herkömmlichen Vorrichtungen zum Mischen großer Gasvolumenströme das eine, aus Rohrbündeln austretende Gas in den Strom eines zweiten Gases eingestrahlt, wodurch man infolge der auftretenden Turbulenzen ein gutes Vermischen in einer stromab von den Rohren gelegenen Kammer erhält Es läßt sich jedoch nicht vermeiden, daß sich in einer solchen Mischkammer örtlich oder zeitlich Gemisehe bilden, die innerhalb der explosionsgefährdeten Grenzen liegen, wobei das übrige Gasgemisch eine Zusammensetzung hat die außerhalb des Gefahrenbereiches liegt
Außerdem können bei instationären Zuständen, beispielsweise am Anfang, am Ende oder infolge einer Störung oder Unterbrechung des Verfahreiisablaufes, unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen auftreten oder erforderlich sein, wodurch eine Rückdiffusion der zu oxydierenden organischen Verbindungen durch die
Rohre und somit eine Bildung von explosiven Gemischen eintreten kann. Zur Vermeidung der Rückdiffusion läßt man bekanntermaßen die Gase durch die Rohre entsprechend schnell strömen und setzt außerdem Inertgas, beispielsweise Stickstoff. Argon, Kohlendioxid oder Inertgasgemische zu. Dies hat jedoch den Nachteil, daß dadurch teilweise enorm große inertgasmengen bereitgestellt werden müssen.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Vermischen zweier Gasströme ist aus der FR-PS "!^ 04 737 bekannt.
Bei dieser Mischanordnung sind Rohre für ein erstes Gas vorgesehen, deren Rohrmündungen durch eine Lochplatte ringförmigen Durchströmöffnungen für den zweiten Gasstrom zugeordnet sind. Dadurch wird zunächst eine Reihe von Teilströmen geschaffen, die jeweils aus einem Kern aus einem ersten Gas und einem umgebenden Mantel aus einem zweiten Gas bestehen. Diese Gruppe von Einzelströmen wird erst im Verlauf des Weiterströmens i:ur angestrebten Vermischung gebracht, wobei Lochplatten zur Unterstützung der Vermischung und zur Vergleichmäßigung der Strömung vorgesehen sind. Da sich die Rohre für den ersten Gasstrom nicht durch diese Lochplatten hindurch erstrekken, findet auch keine Vergleichmäßigung des ersten Gasstromes vor der Vereinigung mit den zweiten Teilströmen statt, sondern lediglich eine Vergleichmäßigung der bereits zumindestens in gewissem Maße gemischten Gaströme. Dabei erfolgt eine Mischung der Gase von Teilstrom mit Teilstrom, und es ist mit unkontrollierten Mischungsvorgängen zu rechnen, weil sich
so die einzelnen, durch die Ringräume um die Rohre strömenden Teilströme des zweiten Gasstromes nach Austritt aus den Ringräumen erst nach einer gewissen Strömungsstrecke so weit ausbreiten, daß sie sich mit den jeweils benachbarten Teilströmen vermischen, d. h., eine echte Vermischung findet erst in einigem Abstand von den Rohrmündungen und der Lochplatte statt. Infolge dieser Hüllströmungen ist mit einer großen Anzahl lokaler Strömungsstörungen und Turbulenzen zu rech-
nen, die zu einer erhöhten Explosionsgefahr führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß über einem Gehäusequerschnitt gleichmäßige Gemischbildung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung erhöht die Betriebssicherheit dadurch, daß durch eine oder mehrere Lochplatten zuerst für einen über dem Gehäusequerschnitt gleichmäßigen ersten Gasstrom gesorgt wird. In diesem gleichmäßigen und homogen strömenden Gasstrom wird dann der zweite Gasstrom in Form von Teilströmen eingebracht, so daß für unkontrollierte, über den Querschnitt des Gehäuses ungleichmäßige Mischvorgänge überhaupt kein Raum ist. Infolge dieser Verbesserung gegenüber dem bekannten Stand der Technik ist die Erfindung technisch fortschrittlich und weist eine Bereicherung der Technik dadurch auf, daß durch die gleichmäßige Gemischbildung über dem Gehäusequerschnitt eine gleichmäßige Reaktion der beiden Reaktionspartner mit weitaus geringerer Explosionsgefahr erzielbar ist
In vorteilhafter Weise sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Lochplatten, durch die die Rohre für den ersten Gasstrom hindurchführen, mit Löchern vorgesehen, die nicht den Durchführungsstellen der Rohre durch die Lochplatten zugeordnet sind. Ohne die Lochplatten wäre die Geschwindigkeitsverteilung des quer zum ersten Gasstrom eintretenden zweiten Gasstromes infolge seiner rechtwinkligen Ablenkung beim Eintreten am Gehäuseauslaß ungleichförmig. Die Lochplatten sorgen für die Ausbildung eines gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofils. Während des axialen Vorbeiströmens des zweiten Gasstromes an den Rohrenden, durch welche der erste Gasstrom austritt, wird an diesen Rohrenden ?in Saugdruck erzeugt, was eine Rückdiffusion von Gasen des zweiten Gasstromes durch die Rohre unmöglich werden läßt. Dadurch, daß die Geschwindigkeit des zweiten Gasstromes gleichmäßig ist, ist auch der an den Rohrenden auftretende Saugdruck gleichmäßig verteilt. Da dadurch die Gefahr einer Rückdiffusion und der Bi'dung von DetonationsgeRiischen beseitigt ist, entfällt auch das Zusetzen von Inertgas.
Soll ein Sauerstoff enthaltender Gasstrom, der im wesentlichen aus reinem Sauerstoff, Luft oder mit einem Inertgas verdünnten Sauerstoff besteht, mit einem Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasstrom vermischt werden, so trir. der den Sauerstoff enthaltende Gasstrom in Längsrichtung in das Gehäuse ein, während man den Gasstrom mit dem Kohlenwasserstoff quer zuführt.
Durch die gleichmäßige Geschwindigkeitsprofile der zu vermischenden Gasströme gesehen über dem Gehäusequerschnitt im Vermischungsbereich erhält man eine örtlich und zeitlich gleichmäßige Gemischbildung. Die Gleichmäßigkeit der Profile bzw. der Gemischbildung läßt sich dadurch noch verbessern, daß die Löcher in den Lochplatten alle die gleiche Größe haben. Vorzugsweise sind die Löcher in der oder den Lochplatten gleichmäßig verteilt und die Fläche eines Lochquerschnittes überschreitet 54% der Querschnittsfläche eines Rohres nicht. Die Gesamtfläche der Löcher in der bzw. den Lochplatten soll wenigstens 57% der Gesamtfläche der zugehörigen ! .ochplat'.e betragen. Die Querschnittsform der Löcher kann beispielsweise dreieckig, quadratisch oder kreisförmig sein. Werden Löcher mit geraden, gebohrten bzw. gestanzten Rändern verwendet, so ist zweckmäßigerweise die Gesamtfläche der Löcher als Prozentsatz der Querschnittsfläche des Gehäuses größer als die Gesamtfläche der Löcher, die auf der stromauf gelegenen Seite abgerundete Kanten haben.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, daß die Rohre um wenigstens das Zehnfache eines Lochdurchmessers über die am weitesten stromab liegende Lochplatte in den Auslaß hinausragen. Vorzugsweise beträgt diese Entfernung das Zwanzigfache eines Lochdurchmessers. Bei Löchern, deren Querschnitt nicht kreisförmig ist verwendet man als Bezugsgröße den »äquivalenten Durchmesser«, der sich aus dem Quotienten vierfache Querschnitisfläche geteilt durch den Umfang der Querschnittsfläche ermitteln läßt Durch dieses Hinausragen der Rohre über die letzte Lochplatte werden Pulsationen bzw. Schwankungen in den Geschwindigkeits- und Durchsatzverteilungen zum Verschwinden gebracht die durch- die aus den Löchern hervortretenden Gasströme hervorgerufen werden, woL» diese Schwankungen beseitigt sind, ehe der Kohlenstoff enthaltende Gasstrom die Mündungen der Rohre erreicht.
Die Gleichmäßigkeit des Geschwindigkeits- und Durchsatzprofils des zweiten Gasstromes wird noch dadurch verbessert, daß zwei Lochplatten vorgesehen werden, deren Abstand zueinander vorzugsweise wenigstens das Zehnfache des Durchmessers eines Loches beträgt In dem Gehäuse könnep selbstverständlich auch mehrere Lochplatten angeordnet werden; um jedoch einen zu hohen Druckabfall zu vermeiden, sollte die Gesamtquerschnittsfläche aller Löcher in einer Lochplatte dann größer sein als die Gesamtquerschnittsfläche, wenn nur eine oder zwei Lochplatten in der Mischvorrichtung angeordnet sind.
Die Rohre können sich durch die Lochplatten so hindurcherstrecken, daß um jedes Rohr ein freier Ringraum verbleibt. Dies hat den Vorteil, daß die von dem Kohlenwasserstoff enthaltenden Gasstrom an den Enden der Rohre ausgeübte Saugwirkung durch die Strahlwirkung des Gasstromes aus den Ringräumen noch begünstigt wird. Dabei kann es jedoch wiederum passieren, daß die Strahlwirkung an den einzelnen Rohren lokal unterschiedlich ist, wodurch die Gefahr der Rückdiffusion in bestimmten Fällen wieder erhöht wird. Im allgemeinen läßt man deshalb diese Ringräume weg oder dichtet sie ab.
Die Möglichkeit, daß sich ein Rückstrom ausbildet bzw. eine Rückdiffusion einsetzt, wird weiterhin dadurch verringert, daß der Druckabfall des in Axialrichtung des Gehäuses eintretenden Gases nicht zu klein ist. Dieser Druckabfall kann dadurch erhöht werden, daß sich die Rohre um wenigstens das Zehnfache eines Rohrdurchmessers stromauf von der Trennwand, aiso der Wand, in welcher die Rohre befestigt sind, erctrekken. Wahlweise oder zusätzlich dazu kann der Druckabfall unmittelbar stromauf von dieser Trennwand auch dadurch erhöht werden, daß zwischen dem Einlaß für den ersten Gass'rom und der Trennwand eine Zwischenplatte mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten öffnungen vorgesehen ist. Zusätzlich zur gleichförmigen Verteilung des ersten Gasstromes über dem Gehäusequerschnitt führt der Druckabfall an diesen Öffnungen in der Zwischenplatte zu einer erhöhten Gasgeschwindigkeit, wa^ wiederum dem Entstehen eines Rückstromes von Teilen des zweiten Gasstromes entgegenwirkt.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung eignet sich
besonders zum Mischen von zwei Beschickungsströmen eines Umwälzsystems, das herkömmlicherweise in dem sogenannten direkten Oxydationsprozeß bei der Herstellung von Äthylenoxyd verwendet wird.
Anhand der Zeichnung wird eine beispielsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert.
F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht teilweise geschnitten.
F i g. 2 zeigt in einem Axialschnitt einen Teil des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Innenanordnung.
F i g. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 von F i g. 2.
Der erste Gasstrom 1 tritt in die in den Figuren gezeigte Mischvorrichtung in Längsrichtung durch einen Einlaßstutzen 10 in ein Kopfteil 20 ein, dessen Querschnitt der Form einer Haibellipse entspricht, wobei an dem dem Einlaßstutzen gegenüberliegenden Ende des Kopfteils 20 Flansche 50 sitzen, die sich in Richtung der großen Ellipsenachse erstrecken. In dem Kopfteil 20 ist eine Zwischenwand 40 vorgesehen, die mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten Öffnungen versehen ist. Der erste Gasstrom 1 strömt durch diese Löcher 40 hindurch in eine Kammer 45, wo er infolge der Löcher 40 gleichmäßig verteilt und ein Druckabfall aufgetreten ist. Dieser Druckabfall führt zu einer Geschwindigkeitserhöhung des durch die Kammer 45, die von dem Kopfteil 20 begrenzt ist, strömenden Gases.
In die Kammer 45 ragt eine Probeentnahmevorrichtung 30, mit der ein eventuell auftretender Rückstrom von Gasen des zweiten Gasstromes in den Kopf 20 feststellbar ist.
Dem am Kopfteil 20 sitzenden Flansch 50 gegenüber ist der Flansch 70 des stromauf gelegenen Gehäuseteils 80 angeordnet. Zwischen den Flanschen 50 und 70 ist eine Trennwand 60 angeordnet, durch welche Rohre 90 hindurchtreten, die gleichzeitig in der Trennwand 60 gehaltert sind. Die Rohre 90 sind gleichmäßig über dem Querschnitt des Gehäuses 80 verteilt, wobei die Rohre des Rohrbündels durch Abstützträger 100 zusätzlich gehalten sein können. Der die Kammer 45 durchströmende erste Gasstrom tritt in die Rohre 90 ein und strömt in diesen Rohren bis zu deren Austritt stromab von den Lochplatten 140, durch welche die Rohre in dem stromab gelegenen Gehäuseteil 120 hindurchgehen. Die Lochplatten sind an ihrem Außenumfang durch Absteifringe 130 verstärkt und durch Zentrieransätze 150 zentriert, wodurch gleichzeitig die Rohre 90 im Gehäuseteil 120 ausgerichtet werden.
Der zweite Gasstrom 2 tritt in die Mischvorrichtung durch einen Einlaßstutzen 160 ein, der in der Seitenwand des Gehäuseteils 80 angeordnet ist. Das Gas des zweiten Gasstromes wird in Axialrichtung des Gehäuses umgelenkt und strömt um die Außenseite der Rohre 90 durch die beiden in dem Gehäuseteil 120 angeordneten Lochplatten 140, wodurch der zweite Gasstrom ein über dem Querschnitt gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil erhält Der aus den Enden der Rohre 90 austretende erste Gasstrom vermischt sich mit dem um die Rohre 90 strömenden zweiten Gasstrom, wobei aus Fig.2 deutlich zu sehen ist, daß zwischen den zu vermischenden Gasströmen keinerlei Kontakt bis zu dem stromab gelegenen Ende der Rohre 90 möglich ist Die so vermischten Gase strömen durch das Gehäuseteil 120 und treten aus dem Gehäuse durch den Ausiaß 3 (Fig. 1) aus.
In F i g. 3 ist eine Lochplatte 140 gezeigt, die an ihrem Außenumfang einen Absteifring 130 aufweist Die Lochplatte 140 ist durch Zentricransäi/e 150 zentriert gehalten. Durch die Lochplatte 140 ragen die Rohre 90 in den stromab gelegenen Gehäuseteil 120 vor. Die bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 gezeigten Löcher sind quadratisch, können jedoch, wie bereits erwähnt, kreisförmig, dreieckig oder anders geformt sein, wobei nur auf eine gleichmäßige Verteilung Wert zu legen ist.
Anhand der nachstehenden Beispiele wird die vorliegende Erfindung weiter erläutert.
Beispiel I
Es sollen eine erfindungsgemäUc und eine herkömmliche Mischvorrichtung verglichen werden, wobei jede der Vorrichtungen einen Durchmesser von etwa 50 cm hat und die gleiche Anzahl von Rohren enthält. Bei der herkömmlichen Vorrichtung ist eine einzige Trennwand vorgesehen, welche den stromauf gelegenen Gehäuseteil 80 von dem Ausiaß 3 trennt Das durch deii Zweiten Einlaßstutzen 160 eintretende Gas strömt /um Auslaß 3 durch die die Rohre umgebenden Ringräume.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei Lochplatten vorgesehen, deren Löcher gleichmäßig verteilt sind und einen Durchmesser von etwa 12 mm haben. Die Lochplatten sind in einem Abstand von 12 cm voneinander angeordnet.
Um bei der herkömmlichen Vorrichtung das Auftreten von explosiven Zusammensetzungen in der Kammer zu vermeiden, war es erforderlich. 1900 nmVh Stickstoff zuzusetzen. Bei sonst gleichen Bedingungen waren bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur 600nm3/h Stickstoff erforderlich. Abhängig vom Durchsatz hat sich herausgestellt, daß bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung nur V3 bis V2 der bei
der herkömmlichen Vorrichtung zuzusetzenden Inertgasmenge zur Vermeidung von Detonationsgemischen in der Kammer 45 erforderlich ist.
Beispiel 2
Mit Hilfe eines Pitot-Rohres werden die Geschwindigkeitsprofile 5 cm stromab von den Mündungen der Rohre in dem stromab gelegenen Gehäuseteil 120 der in Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtungen untersucht. Bei
gleichen Gasdurchsätzen durch jede der Vorrichtungen ergibt sich eine theoretische Gasgeschwindigkeit von etwa 70 m/s. Bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung liegt die gemessene Geschwindigkeit in einem Bereich zwischen 63 und 76 m/s. Das Geschwindigkcitsprofil bei der herkömmlichen Vorrichtung ist wescn*'ich unregelmäßiger, die Geschwindigkeit schwankt zwischen 38 und 107 m/s.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum innigen Vermischen zweier Gasströme mit einem Gehäuse, mit einem ersten Einlaß im Bereich des einen Endes des Gehäuses für den ersten Gasstrom, mit einem zweiten Einlaß für den zweiten Gasstrom, der stromab vom ersten Einlaß seitlich am Gehäuse angeordnet ist, mit einer Trennwand zwischen den beiden Einlassen, mit einem Auslaß im Bereich des anderen Endes des Gehäuses für das Gasgemisch, mit mindestens einer Lochplatte, die zwischen dem zweiten Einlaß und dem Auslaß angeordnet ist und Löcher eines im wesentlichen einheitlichen Durchmessers für den Durchtritt des zweiten Gasstromes aufweist, wobei die Löcher in gleichmäßiger Verteilung über die Lochplatte angeordnet sind, und mit mehreren Rohren für den Durchtritt des ersten Gasstromes, welche die Trennwand und die Lochplatte durchdringen, wobei die Rohre von der Trennwand gehalten werden und über die am weitesten stromab liegende Lochplatte hinausragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (90) auch von der Lochplatte (140) gehalten werden, daß der gesamte Querschnitt jedes Loches in der Lochplatte für den Durchtritt des zweiten Gasstromes (2) zur Verfügung steht, und daß die Rohre um wenigstens das Zehnfache des Durchmessers eines Loches über die am weitesten stromab liegende Lochplatte hinausragen.
2. Vorrichtung nach A/ispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quersch.iittsflächen der einzelnen Löcher jeweils 54% der Quers nnittsfläche eines Rohres (90) nicht überschreiten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der Löcher in der bzw. in den Lochplatten (140) wenigstens 57% der Gesamtfläche der zugehörigen Lochplatte beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (90) um etwa das Zwanzigfache eines Lochdurchmessers über die letzte Lochplatte (140) hinausragen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Lochplatten (140).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Lochplatten (140) wenigstens das Zehnfache eines Lochdurchmessers beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Einlaß (10) für den ersten Gasstrom und der Trennwand (60) angeordnete, mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten öffnungen versehenen Zwischenplatte (40).
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