УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ГОРЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
IMPROVED COMBUSTION DEVICE FOR PRODUCTION OF GAS MIXTURES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному устройству горения для производства галогеноводородных соединений.
Хлороводородная кислота (соляная кислота), также именуемая хлороводородом, широко используется и перерабатывается в химической промышленности. Типичными областями ее применения являются электролиз растворов хлоридов щелочных металлов и производство винилхлорида. Часто хлороводородная кислота образуется как побочный продукт, например, при хлорировании органических соединений. Однако, этим не может быть покрыта потребность в ней.
Поэтому в промышленности применяют специальные установки синтеза хлороводорода, изготовленные из коррозионностойких материалов. В таких установках при температуре до 2500°С газообразный хлор вступает в реакцию с газообразным водородом с образованием газообразного хлороводорода. При этом, реакция горения происходит в камере горения. Горелка, через которую подают в камеру исходные газы, состоит из двух концентрических труб, при этом, газообразный хлор подают через внутреннюю, а газообразный водород - через наружную трубы. В пламени над грелкой происходит реакция горения. Для достижения максимальной степени превращения хлора, обычно применяют избыток водорода 5-10%. На выходе из камеры горения реакция прекращается, а образовавшийся газообразный хлороводород поступает в абсорбционную часть установки синтеза, где его абсорбируют с получением соляной кислоты (US9415364).
Проблемой, возникающей при производстве хлороводорода, является неполное сгорание, следствием которого является повышенное содержание свободного хлора в продукте. Из-за недостаточного перемешивания исходного газа имеет место длинный и узкий факел пламени, требующий, в свою очередь, большой камеры горения. Это отрицательно сказывается на величине издержек.
Следовательно, задачей изобретения является обеспечение устройства горения для производства галогеноводорода, обеспечивающего улучшенное перемешивание газообразного галогена и газообразного водорода и уменьшенное содержание свободного галогена в продукте.
Эта задача решена посредством устройства горения для производства галогеноводорода, включающего, по меньшей мере, две концентрично расположенных жаровых трубы, причем, во внутренней жаровой трубе имеется завихритель.
В контексте изобретения под галогеноводородом понимается бромоводород и хлороводород, при этом, предпочтительно употребляется термин «хлороводород». В последующем описании, если употребляется термин «газообразный хлор» или «хлороводород», соответствующее также распространяется на газообразный бром или бромоводород.
В контексте настоящего изобретения под концентрично расположенными жаровыми трубами понимается, что внутренняя жаровая труба расположена внутри наружной жаровой трубы, тем самым, внутренняя жаровая труба находится посредине наружной жаровой трубы (см. фиг. 3). Внутренняя жаровая труба выполняет роль транспортной трубы для газообразного хлора, тогда как газообразный водород подается через зазор между внутренней и наружной жаровыми трубами. Под завихрителем в контексте настоящего изобретения понимается деталь, превращающая поток газообразного хлора в вихревой. Благодаря созданной таким образом турбулентности дополнительно увеличивается поверхность раздела между хлором и водородом, то есть, достигается лучшее перемешивание и, следовательно, уменьшается необходимое время пребывания газа в камере горения, поддерживается более короткое и стабильное пламя, чем в горелке без завихрителя. При более коротком пламени возможно применение установок синтеза меньшего размера, более стабильное пламя обеспечивает более бесперебойный процесс. Насколько укорачивается пламя, и насколько оно стабильно, зависит от выбора размеров, а также от производительности блока синтеза. Благодаря применению завихрителя во внутренней жаровой трубе и выходу водорода из наружной жаровой трубы в осевом направлении, достигается улучшенное перемешивание исходных газов, а также образование зоны рециркуляции вблизи выхода горелки. В зоне рециркуляции горячий газ затягивается назад в направлении выхода устройства горения, благодаря чему выходящий из устройства горения газ подогревается. Это обуславливает большую глубину превращения, т.е., уменьшение содержания свободного хлора и стабилизацию пламени.
Завихритель находится в потоке газообразного хлора, где массовый расход газообразного хлора в 20 раз больше массового расхода газообразного водорода. Следовательно, воздействие завихрителя может быть лучше использовано. Под массовым расходом понимается масса, перемещающаяся через поперечное сечение в единицу времени. Посредством завихрителя можно регулировать длину, форму, стабильность, а также интенсивность пламени.
Предпочтительно, завихритель вклеен, установлен с перекосом или закреплен посредством стержня во внутренней жаровой трубе.
Предпочтительно, наружная и внутренняя жаровые трубы оканчиваются на одном уровне. Благодаря этому газы перемешиваются непосредственно на выходе устройства горения. Таким образом, речь не идет о горении с предварительным перемешиванием.
Предпочтительно, наружная и внутренняя жаровые трубы состоят из одной части или смонтированы из нескольких сегментов.
Предпочтительно, наружная жаровая труба, внутренняя жаровая труба и завихритель изготовлены из коррозионностойкого материала, предпочтительно, выбранного из группы, состоящей из графита, синтетического графита, пропитанного синтетической смолой графита, карбида кремния, графита с покрытием из карбида кремния, кварцевого стекла, оксида алюминия или любой их смеси. Особенно предпочтительны наружная жаровая труба, внутренняя жаровая труба и завихритель, изготовленные из графита, синтетического графита, пропитанного синтетической смолой графита или любых их смесей, наиболее предпочтительно, из графита, синтетического графита, пропитанного фенольной смолой графита или любых их смесей.
innen
innen
A
Предпочтительно, завихритель имеет длину, составляющую от 0,5 до 2, предпочтительно, от 1 до 1,5 внутренних диаметров внутренней жаровой трубы. В контексте настоящего изобретения под внутренним диаметром внутренней жаровой трубы (D') понимается диаметр внутренней жаровой трубы без толщины стенок. Под диаметром внутренней жаровой трубы понимается наружный диаметр (D) внутренней жаровой трубы (см. фиг. 3). Какой-либо длины менее, чем 0,5 внутреннего диаметра внутренней жаровой трубы, недостаточно для завихрения подаваемого газообразного хлора. Следовательно, завихритель не дает положительного эффекта. При какой-либо длине более двух внутренних диаметров внутренней жаровой трубы, подаваемый газообразный хлор завихряется вдвойне, причем, удвоенное завихрение не приводит к дополнительному усилению положительного эффекта завихрителя.
Предпочтительно, наружный диаметр завихрителя составляет от 30 мм до 300 мм, предпочтительно, от 30 до 280 мм.
В контексте настоящего изобретения под наружным диаметром завихрителя понимается диаметр снаружи центрального стержня завихрителя и направляющих лопаток (см. фиг. 4b). При каком-либо меньшем диаметре завихрителя скорость газообразного хлора существенно увеличивается, из-за чего сокращается время перемешивания, следовательно, уменьшается степень превращения. При каком-либо большем диаметре завихрителя скорость газообразного хлора уменьшается, создаваемая турбулентность становится менее выраженной, следовательно, перемешивание газообразных водорода и хлора ухудшается, что ведет к уменьшению степени превращения и увеличению содержания свободного хлора в продукте.
Предпочтительно, отношение диаметра центрального стержня к наружному диаметру завихрителя составляет от 1:2,5 до 1:1,5, предпочтительно, от 1:2 до 1:1,5.
В контексте настоящего изобретения под диаметром центрального стержня понимается диаметр завихрителя без направляющих лопаток. При каком-либо отношении диаметра центрального стержня к наружному диаметру завихрителя, меньшем 1:2,5, скорость газообразного хлора уменьшается, из-за чего создаваемая турбулентность становится менее выраженной, следовательно, ухудшается перемешивание газообразных водорода и хлора, что ведет к уменьшению степени превращения и увеличению содержания свободного хлора в продукте. При каком-либо отношении диаметра центрального стержня к наружному диаметру завихрителя, большем 1:1,5, скорость газообразного хлора становится слишком большой, из-за чего перемешивание газообразных водорода и хлора ухудшается, что ведет к уменьшению степени превращения и увеличению содержания свободного хлора в продукте.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения завихритель снабжен, по меньшей мере, двумя направляющими лопатками, предпочтительно, по меньшей мере, 4 направляющими лопатками. При числе направляющих лопаток менее двух массовый расход в отдельном канале слишком большой, что является причиной негомогенного пламени. Кроме того, ухудшается перемешивание газообразных водорода и хлора. Для хорошего перемешивания газообразных водорода и хлора благоприятно симметричное распределение направляющих лопаток вокруг центрального стержня завихрителя. Предпочтительно, направляющие лопатки на виде сверху имеют прямоугольную форму или трапецеидальную форму.
В одном из более предпочтительных вариантов осуществления изобретения свободная площадь поперечного сечения, отнесенная к общей обтекаемой потоком площади поперечного сечения завихрителя составляет от 15 до 75%, предпочтительно, от 20 до 65%. При свободной площади поперечного сечения, отнесенной к общей обтекаемой потоком площади поперечного сечения завихрителя менее 15%, скорость газообразного хлора становится слишком большой, из-за чего уменьшается степень превращения. При свободной площади поперечного сечения, отнесенной к общей обтекаемой потоком площади поперечного сечения завихрителя, более 75%, скорость газообразного хлора становится слишком малой, из-за чего уменьшается степень превращения. В контексте настоящего изобретения свободной площадью поперечного сечения названа сумма свободных площадей между направляющими лопатками, т.е., области, через которую проходит поток газообразного хлора. Под общей обтекаемой потоком площадью завихрителя понимается общая площадь поперечного сечения завихрителя.
В одном из более предпочтительных вариантов осуществления изобретения направляющие лопатки проходят по спирали вдоль продольной оси завихрителя.
В контексте настоящего изобретения под продольной осью понимается ось, идущая в направлении движения потока газообразного хлора.
Преимущественно, шаг направляющей лопатки составляет от 1 до 2, предпочтительно, 1. Под шагом понимается число оборотов направляющей лопатки вокруг центрального стержня завихрителя. При шаге более 2 поток газообразного хлора завихряется более, чем вдвое, причем, это не приводит к дополнительному улучшению перемешивания газообразных водорода и хлора.
Предпочтительно, направляющие лопатки характеризуются средним углом установки от 35° до 85°, предпочтительно, от 40° до 75°, наиболее предпочтительно, 60°. Под средним углом установки в контексте настоящего изобретения понимается угол между направлением поступающей текучей среды и поверхностью направляющих лопаток (см. фиг. 4b).
Средний угол установки существенно влияет на распределение скорости газообразного хлора и на обратный поток газообразного хлора, который ведет к некоторой стабилизации пламени. При среднем угле установки менее 35° поток газообразного хлора завихряется слишком сильно, а пламя становится слишком широким, что ведет к увеличению температуры стенки камеры горения. При среднем угле установки более 75° не достигается завихрения газообразного хлора.
Предпочтительно, подаваемый газообразный водород выходит из наружной жаровой трубы в осевом направлении. Благодаря осевому выходу газообразного водорода из наружной жаровой трубы улучшается перемешивание газообразных водорода и хлора, так как подаваемый по внутренней жаровой трубе газообразный хлор устремляется сквозь выходящий в осевом направлении из зазора между наружной и внутренней жаровыми трубами газообразный водород, благодаря чему усиливается перемешивание газообразных водорода и хлора, и, вследствие этого, повышается степень превращения и сокращается содержание свободного хлора в продукте.
В одном из более предпочтительных вариантов осуществления изобретения во внутренней жаровой трубе на обтекаемой потоком стороне завихрителя расположен дорн. Под обтекаемой потоком стороной завихрителя понимается сторона подачи газообразного хлора. Посредством дорна завихритель зафиксирован во внутренней жаровой трубе, а поток газообразного хлора направляется в каналы потока, т.е., в пространство между направляющими лопатками завихрителя. Дорн может быть цельным или может быть образован из нескольких частей. Длина дорна не ограничена.
Предпочтительно, диаметр дорна и диаметр центрального стержня одинаковы. Благодаря этому предотвращается дополнительная турбулентность на входе в завихритель. Предпочтительно, диаметр наружной жаровой трубы уменьшается в направлении камеры горения. Таким образом, увеличивается скорость газообразного водорода, что ведет к улучшению перемешивания газообразных водорода и хлора и, следовательно, повышению степени превращения и уменьшению содержания свободного хлора в продукте.
В одном из более предпочтительных вариантов осуществления изобретения завихритель погружен во внутреннюю жаровую трубу максимум на глубину, равную двум наружным диаметрам завихрителя.
Это означает, что завихритель не оканчивается на одном уровне со внутренней и наружной жаровыми трубами на выходе из устройства горения, а погружен в направлении подачи газа.
Предпочтительно, отношение глубины погружения ко внутреннему диаметру внутренней жаровой трубы составляет 1:1. Завихритель должен быть погружен для введения завихренного потока газообразного хлора на коротком участке трубы до того, как на выходе из устройства горения произойдет расширение потока газообразного хлора. Благодаря этому можно уменьшить расширение струи, следовательно, уменьшается тепловая нагрузка на стенку камеры горения. К тому же, посредством погружения завихрителя достигается равномерное перемешивание газообразных водорода и хлора, благодаря чему увеличивается степень превращения, и, следовательно, уменьшается содержание свободного хлора в продукте. Кроме того, зона реакции распределяется по всему поперечному сечению камеры горения, и температура стенки камеры горения снижается.
Чем больше погружен завихритель, тем меньше завихрение на выходе устройства горения. При погружении на глубину более двух наружных диаметров завихрителя завихрение затухает, и завихритель не обеспечивает улучшенное перемешивание газообразных водорода и хлора.
Далее настоящее изобретение описано на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. Изобретение не ограничивается данными фигурами.
На фиг. 1 показано поперечное сечение части устройства синтеза галогеноводорода.
На фиг. 2 показано поперечное сечение устройства горения.
На фиг. 3 показано поперечное сечение фрагмента верхней области устройства горения.
На фиг. 4а показан завихритель.
На фиг. 4b показан вид завихрителя сверху.
На фиг. 5 показано поперечное сечение завихрителя с дорном.
На фиг. 1 показано поперечное сечение части устройства синтеза галогеноводорода. При помощи устройства (1) горения газы подают в камеру (2) горения. На выходе (3) горелки газы выходят из устройства горения. В камере (2) горения подаваемые газы вступают в реакцию горения с образованием пламени (4).
На фиг. 2 показано устройство (1) горения с двумя концентрично расположенными жаровыми трубами, внутренней жаровой трубой (7) и наружной жаровой трубой (8). Во внутренней жаровой трубе (7) находится завихритель (12), зафиксированный посредством дорна (10). По зазору между внутренней и наружной жаровыми трубами поступает газообразный водород, причем, газообразный водород поступает в область подачи (6) горелки. Газообразный хлор подают по области (5) внутренней жаровой трубы.
innen
innen
kern
A
На фиг. 3 показано поперечное сечение фрагмента верхней области устройства (1) горения с двумя концентрично расположенными жаровыми трубами, внутренней жаровой трубой (7) и наружной жаровой трубой (8). Внутренняя жаровая труба (7) имеет внутренний диаметр D' и наружный диаметр D. Во внутренней жаровой трубе (7) находится завихритель (12). Завихритель (12) снабжен направляющими лопатками (11) и центральным стержнем (9), при этом, центральный стержень завихрителя имеет диаметр D. Завихритель (12) погружен, и не оканчивается там же, где внутренняя (7) и наружная (8) жаровые трубы на выходе горелки.
На фиг. 4а показан завихритель (12). Завихритель (12) снабжен направляющими лопатками (11), которые характеризуются средним углом установки γ.
На фиг. 4b показан вид завихрителя (12) сверху, причем, завихритель (12) имеет направляющие лопатки (11), центральный стержень (9) и наружный диаметр (14). Между направляющими лопатками (11) имеется свободная площадь поперечного сечения, через которую проходит поток газообразного хлора.
На фиг. 5 показано поперечное сечение завихрителя (12), при этом, завихритель снабжен дорном (13).
Далее настоящее изобретение поясняется на примерах его осуществления, причем, эти примеры осуществления изобретения не служат каким-либо ограничением изобретения.
Пример осуществления 1:
A
innen
Наружная жаровая труба (8) и внутренняя жаровая труба (7) изготовлены из графита. Обе трубы имеют длину 40 см. Наружная жаровая труба (8) имеет наружный диаметр 18 см. Внутренняя жаровая труба (7) имеет диаметр (D) 12 см. Во внутреннюю жаровую трубу (7) помещен завихритель (12) из графита. Завихритель (12) имеет длину 14 см и снабжен направляющими лопатками со средним углом установки γ 60°. Свободная площадь поперечного сечения составляет 25%. Центральный стержень завихрителя имеет диаметр 5 см. Завихритель оканчивается на одном уровне с внутренней (7) и наружной (8) жаровыми трубами и вклеен во внутреннюю жаровую трубу (7).
Пример осуществления 2:
Наружная жаровая труба (8) и внутренняя жаровая труба (7) изготовлены из графита. Обе трубы имеют длину 40 см. Наружная жаровая труба (8) имеет диаметр 18 см. Внутренняя жаровая труба (7) имеет диаметр 12 см. Во внутреннюю жаровую трубу (7) помещен завихритель (12) из графита. Завихритель (12) имеет длину 14 см и снабжен направляющими лопатками со средним углом установки γ 60°. Свободная площадь поперечного сечения составляет 40%. Центральный стержень завихрителя имеет диаметр 5 см. Завихритель на 2,5 см погружен во внутреннюю жаровую трубу (7) и вклеен во внутреннюю жаровую трубу (7).
Список позиций на чертежах:
1 Устройство горения
2 Камера горения
3 Выход горелки
4 Пламя
5 Газообразный хлор
6 Газообразный водород
7 Внутренняя жаровая труба
8 Наружная жаровая труба
9 Центральный стержень завихрителя
10 Дорн
11 Направляющая лопатка
12 Завихритель
13 Дорн
14 Наружный диаметр завихрителя