DE2262739C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von Gasen, bei dem wenigstens zwei unterschiedliche Gasarten tangential sowie in entgegengesetzter Drallrichtung in einen rotationssymmetrischen Mischraum eintreten, aus dem die Gasmischung in Achsrichtung austritt, sowie eine Mischvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die aus einer zylindrischen Mischkammer mit tangential in entgegengesetzter Drallrichtung einmündenden Gaseinlal.irohren und einem axialen Auslal.irohr für die Gasmischung besteht.

Bisher wurden zum Mischen verschiedener Gase Zyklon-Gasmischkammern verwendet, bei welchen das eine Gas axial in den Zyklon eingeführt wurde, während das andere Gas tangential entlang der Außenwand zugeführt wurde. Bei diesen bekannten Zyklonmischkammern erfolgt die Durchmischiing an der Grenzfläche der sich etwa rechtwinklig gegeneinander im Inneren bewegenden Gasströme.

Da die Mischung bei derartigen Zyklonmischkammern um so unvollkommener wird, je größer der spezifische Durchsatz ist, ist es bekannt (DT-PS 532 532), an Stelle ties einen axial eingeführten (iasslioines alle Gasströme tangential durch in gleicher Eheiu· angeordnete Einlasse gegebenenfalls ir, mehreren derartigen paarweisen Einlassen in axialem Abstand m

die Kammer einzuführen, wobei zur Verbesserung der Wirkung bei größerer Durchsalzmenge nicht die Zyklonmischkammcr selbst vergrößert wird, sondern mehrere Zykloniiiischkammern kleinerer Abmessungen parallel geschaltet werden.

ίο Es ist ein' anderer Weg zur Verbesserung der Durchniischung von mehreren Gasen bekannt (DI.-PS 54 341). bei welchem ein Gasstrom axial in die zyklonartig ausgebildete Wirbelkammer eingeführt wird, jedoch wenigstens zwei weitere in einer Ebene

'5 liegende langentiale Zuführungen vorgesehen sind, die in Strömungsrichiung gegeneinander wirken. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Mischvorrichtung zwar noch nach Art eines Zyklons ausgebildet, wirkt jedoch nicht mit schraubenförmig entlang der Wand-

flächen verlaufenden Strömen, die an der Grenzfläche mit dem Mittelstromsich mit diesem mischen, sondern es ergibt sich durch den Att/einanc/erprali eier Gasströme eine sehrstarke Durchwiibelung in der gesamten Mischkammer.

Alle diese bekannten Gasmischkammern erfordern eine nicht unerhebliche Größe im Verhältnis zum Durchsatzvolumen, um eine ausreichende Verweilzeit ties Gases in der bzw. den Mischkammer!! sicherzustelljii und eine gute Durchmischung zu ermöglichen.

Diese Notwendigkeit wird noch bedeutungsvoller, wenn Gase mit unterschiedlicher Dichte gemischt werden sollen.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegend..· Aufgabe, eine Zyklongasmischkammer zu schaffen, bei welcher auch bei relativ kleiner Abmessung der K immer im Verhältnis zum Durchsatz und bei relativ großen Dichteunterschieden der zu mischenden Gase eine sehr innige Durchmischung erfolgt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß bei vertikaler Anordnung der Mischraumachsc und «ach unten austretender Gusmischung das spezifisch leichtere Gas in axialem Abstand unterhalb des spezifisch schwereren Gases, mit höherer Geschwindigkeit als dieses, in den Mischraum eintritt. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die verschiedenen Gase in gegeneinander gerichteten Gasströmen entlang der Wand des zyklonartigen Mischraumes verlaufen, wobei die beiden Gasströme durch die Gegcnläufigkeit eine außerordentlich hohe Geschwindigkeitsdifferenz und damit eine außerordentlich gute Durchwirbclung in der Grenzzone aufweisen.

Vorzugsweise beträgt dabei die Eintrittsgeschwindigkeit des leichteren Gases in den Mischraum das 1,15- bis 2()fache der Eintrittsgeschwindigkeit des schwereren Gases. Bei Mischung von mehr als zwei Gasarten kann das jeweils schwerste Gas oben und die übrigen leichteren Gase in einer gemeinsamen Ebene mit axialem Abstand darunter und unter sich in gleicher Drallrichtung in den Mischraum eintreten. Eine Mischvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgcmäl.ien Verfahrens kann sich von der bekannten zylindrischen Mischkammer mit tangentialen, in entgegengesetzter Drallrichtung einimündenden Gaseinlal.irohren und axialem AuslaLirohr für die Gasmischung dadurch unterscheiden, daß die GaseinlaLirohre in die vertikal angeordnete Zyklonmischkammer in verschiedenen Höhen einmünden, wobei

tli ι senkrechte Abstand /tischen den (iascinlaßrohich ilas 1.5- bis .Mache ilcs Durchmessers des oheien (iaseinlaßrohics hell agl.

I)U- Hrfindimg wird im folgenden an Hand du Zeichnungen an Aiisl'iilirungsheispielcn nahu crlaii-UTt. Fs /c igt

I-ig. I eine schemalischc Seitenansicht einer Ik
kanntui Zyklon-Gasniischkaniinu,

Fig. 2 eine Draufsicht aul ilic Zyklon (iasmischkammer gemäß lig. I, _lu

(•'ig. 3 eine Seitenansicht einer ufmduiigsgemaßcn Zyk !nn-G asm isch kammer,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die (iasmischkainmu gemäß I- ig. 3.

f-'ig. 5 eine Seitenansicht einer anderen Ausl'uhlungsform der erfinthmgsgcmäßcn Zyklon-Gasmischkammer.

F-'ig. (1 eine Draufsicht auf die Gasmischkammu gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausfuhnmgsform einer erfindungsgemäßen Zyklon-Gasmischkammcr, und

Fig. S eine Draufsicht auf die Gasmischkammer gemiiß Fig. 7.

Zum Mischen verschiedener Gase wurden bisher Zyklon-Gasmischkanimern verwendet, wie sie in Fig. 1 und .1 dargestellt sind. Hei diesen wird das eine Gas 3 in eine zylindrische Mischkammer 1 durch ein senkrechtes Gaseinlaßrohr 2 axial von oben eingeleitet, withrend das andere Gas 5 in die Mischkammer 1 durch ein tangentiales Gaseinlaßrohr 1 im oberen Uinl'angsbereich der zylindrischen Mischkammer 1 eingeleitet wird und eine Wirheleintrittsströmung bewirkt. Das Gasgemisch 8 wird aus der Mischkammer 1 durch ein senkrechtes Gasauslaßrohr 7 abgezogen, das mit der Bodenöffnung eines Trichterabschnilts in Verbindung steht, der fest mit der Unterseite der Mischkammer 1 verbunden ist.

Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Zyklon-Mischkammer sind die beiden Seiten einer zylindrischen Gasmischkammer 11 mit einem oberen Gaseinlaßrohr 12 und einem unteren Gaseinlaßrohr 14 verbunden, die parallel zueinander und in entgegengesetzter tangentialer Richtung angebracht sind, wobei der senkrechte Abstand zwischen den beiden Gaseinlaßrohren 12 und 14 zwischen dem 1,5- und 3,()fachen des Durchmessers des oberen Gaseinlaßrohres 12 liegt. Wenn das dichtere Gas 13 durch das obere Gaseinlaßrohr 12 in die Gasmischkammer 11 eingeleitet wird, sinkt es nach und nach unter einer Wirbelbewegung entlang der Innenwand der Gasmischkammer 11 ab. Andererseits führt das durch da'.; untere Hinlaßrohr 14 in die Gasmischkammer 11 eingeleitete leichtere Gas eine derjenigen des dichteren Gases 13 entgegengesetzte Wirbelbewegung durch.

Die beiden waagerechten Gaseinlaßrohre 12 und 14 können jeden gewünschten Umfangsvinkel zueinander einnehmen. Diese Bedingung ist beispielsweise in Fig. 5 und (1 dargestellt. In diesem Falle sind die beiden waagerechten Gaseinlaßrohre 22 und 24 an derselben Seite tier Ciasmischkammer in entgegengesetzter langentialer Richtung angebracht, wobei sie in einem Unifangswinkel von ISO liegen. Sofern drei oder mehr Gasarten schnell miteinander vermischt werden, wird das dichteste Gas durch das oberste Hinlaßrohr in die Mischkammer eingeleitet, und die verbleibenden leichteren Gasarten können durch ein unteres Rohrsystem in die Mischkammer eingeleitet xm'uIcii. das eine Anzahl win l-.iuzeliiihrcn umlalii die mit de 1 Mischkammer in ιIu selben I lohe und der artig in tangcnlialu Richtung \ u buiulcu sind, daß die leichteren Gasarlcn eine entgegengesetzte Wirbel ■,liomung gegenubei den absteigenden (iasarien di:it hl uhren.

lig. 7 und S zeigen eine Gasmischkammer /um Mischen von fünf (iasailen. Das dichteste (las wird durch das oben- (iaseinlaßrohr 32 in die Mischkammer eingeleiiel. Die vier anderen leichteren Gasartcn werden in die Mischkammer durch untere (iaseinlaßrohre 34κ, 34Λ, 34c und 34(/ eingeleitet und geben den (lasen eine D rail richtung entgegen dem durch das obere Gaseiulaßrohr 32 in die Wirbelkammer eingeleiteten Gas. Die vier leichleren (iasarien. die in die Mischkammer durch die unteren F.inlaß'ohre 34h, 34/1, 34c i\]u\ 34(/ eingeleitet werden, bilden vorzugsweise eine Wirbelströmung mit einer mittleren Geschwindigkeit, die etwa das 1,15- bis 20.!Mache derjenigen betrügt, mit der die dichteste Gasart durch das obere Gaseinlaßmhr 32 mit entgegengesetzter Wirbelströmung eintritt.

Die Gasmtschkammer gemäß Fig. 7 und .S mit einer Anzahl von Gaseinlaßrohren ist nicht nur zum Mischen verschiedener Gasarten vorgesehen, sondern hat auch ilen Vorteil, daß sie eine schnelle Vermischung von zwei Gasarten erleichtert, tue eine sehr unterschiedliche Dichte aulweisen. Dabei wird das leichtere Gas in die Mischkammer gleichmäßig durch eiiic Anzahl von unteren Gaseinlaßrohren eingeleitet.

Das erfindungsgcnuiße Verfahren gestattet nicht nur eine rasche Vermischung von drei oder mehr Gasarten unabhängig von der Temperatur, sondern ebenfalls eine Durchführung von chemischen Reaktionen, die mit dem Mischen in einer Mischkammer selbst mit kleiner Kapazität einhergehen.

Nunmehr soll als Beispiel der Fall beschrieben werden, bei dem ein Reduktionsgas für den Betrieb in einem Hochofen durch Mischen eines Gichtgases mit einer Temperatur von 1250" C mit einem Kokereigas mit 700" C hergestellt wird.

Eine Vermischung beider Ciasarten führt zu folgenden Reaktionen:

CH₄ -2H₁ f C C I CO, "-2CO

Bei einer Mischung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren reagieren beide Gasarten schnell miteinander, so daß der Ciehalt an freiem Kohlenstoff gesenkt und derjenige an CO in dem erzeugten Gas erhöht wird. Eine unvollkommene Vermischung beider Gase würde dazu führen, daß nicht abgebaute CH.,- und CC),-Anteile in tier Gasmischung verblieben, die zu größeren Kohlcnstoffverlusten im Hochofenbetrieb führen würden.

Die obigen beiden Gasarten werden in einer Zyklon-Ciasmischkammer gemäß Fig. 5 und 6 gemischt. In diesem Falle wurde das dichtere Gichtgas in die Zyklon-Gasmisehkammer durch das obere Gaseinlaßrohr 22 und das leichtere Kokereigas durch das untere (iaseinlaßrohr 24 eingeleitet. Das Gichtgas hatte eine Dichte, die tlas 2,75fache derjenigen des Kokereigases betrug. Der Wert ties Wirbelverhältnisses. d.h. tlas Verhältnis tier Bewegungsgeschwindigkeit im Wirbel zur senkrechten Linearkomponente tier Bewegung ties eingeleiteten dichteren Gases betrug I.S. Die unten angegebene Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung ties Gasgemisches, tlas durch Vu-

Wendung der Mischkammer entstellt, wenn das Verhältnis der Geschwindigkeit IV, mit der das Kokereigas durch das unlere Gascinlaßrohr 24 eingeleitet wird, auf den Wert 17) geändert wird, mit dem das Gichtgas durch das Gascinlaßrohr 22 eintritt.

Tabelle 1

Zusammensetzung des durch die Gasmischkammer ge bilde te η Gasgemisches (Volumprozent)

Weiterhin wurden das Gichtgas und das Kokereigas in der erl'indungsgemäßen Vorrichtung gemischt, indem das Wirbelverhältnis im Bereich von 0.8 bis 3.8 geändert wurde,wälirenddas Verhältnis Yc, Ybbei 1,5 blieb. Die Bestandteile dcrenlsteheiulenGasgcmisehe sind in 'Tabelle 2 angegeben.

Verhältnis IV, Yb

Tabelle 2

Zusammensetzung des durch die Mischkammer gebildeten Gasgemisches (Volumprozent)

Bestandteil

1,2

2.0

CO,

CO

CH₁

12
28
2 ή
21
13

31
3^l)
21
10

37

Wie aus Tabelle 1 eindeutig hervorgehl, war die Mischung beim Wert YvI Yb = 1,0 unzureichend, wobei eine große Menge CH₄ und CO, verblieb. Sofern der Wert größer als 1,2 war, hatte der CH₄- und CC),- Anteil erheblich abgenommen. Wenn der Wert kV. Yb 2,0erreicht, erfolgt eine vollständige Mischung und Reaktion, so daß CH₄UiIdCOj- A η teile im wesentliche η ausgeschaltet wurden.

Wert des Wirbelverhältnisses

Bestandteil

0,8 1,0 2,(i 3.5 3,8

CO,
CO"

II,

N,"
CH₄

< 1

< 1
40

1
40

30
21
K)

37
21
2 <

38 37
21 21
I I

40
Mi

21

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, hatte sich bei einem Wirbeiverhältnis von unter 1,0 der Anteil an CH₄ und CO, im Gasgemisch erheblich erhöht. Wenn der Wert des WirbeIVerhältnisses im Bereich von 1,0 bis3,5 liegt, gibt es nahezu kein CH₄ oder CO,, und wenn der Wert 3,5 übersteigt, nimmt der (Ή,-Anteil eher wieder zu.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

22 62 739 Patentansprüche:

1. Vorfahren /um Mischen von (iasen. bei dem wenigstens /wei unterschiedliche (iasarlon tangential sowie in entgegengesetzter Drallrichtimg in einen rotationssymmetrisehen Miseliranm eintreten, aus dem die Gasmischung in Achsrichtung austritt, dadurch ge ke nn/.e ich nc t, daß bei vertikaler Anordnung der Mischraumachsc uiul nach unten austretender (iasmiseluing das spezifische leichtere Gas mit axialem Abstand unterhalb ties spezifischen schwereren Gases und mit höherer Geschwindigkeit als dieses in den Mischraum eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dal.i die Eintrittsgeschwindigkoit iles leichteren Gases in den Mischraum das 1,15-bis 2()l'ache der Eintrittsgeschwindigkeit des schwereren Gases beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, dal.i bei Mischung von mehr als zwei Gasarten das |oweils schwerste Gas oben und die übrigen leichteren Gase in einer gemeinsamen Ebene mit axialem Absland darunter und unter sich in gleicher Drallrichtung in den Mischraun) eintreten.

4. Mischvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung aus einer zylindrischen Mischkammer mit tangential in entgegengesetzter Drallrichtung einmündenden Gaseinlal.irohren und einem axialen Auslaßrohr für die Gasmischung besteht, dadurch gekennzeichnet, dal.i die GaseinlaLirohre (12, 14; 22, 24; 32, 34« bis 34</) in die vertikal angeordnete Zyklon-Mischkammer (11,31) in verschiedenen Höhen einmünden, wobei der senkrechte Abstand zwischen den Gaseinlal.irohren (1?„ 22, 32 bzw. 54. 24, 34« bis 34c/) das 1,5- bis 3 fache des Durchmessers des oberen Gaseinlal.irohrcs (12. 22, 32) beträgt.