DE2738744A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung von flammenreaktionen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Durchführung von Flammenreaktionen
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchftihnung von Flammenreaktionen, bei denen zwei gasförmige Reaktionspartner exotherm unter Flammenbildung miteinander reagieren.
• Die Durchführung von Flammenreaktionen mit vorgemischten Gasen in den bisher bekannten Brennkammern ist abhängig von der lammengeschwindigkeit, der Strömungsgeschwindigkeit sowie des trömungszustandes (laminar/turbulent) des in die Brennkammer intretenden Gasgemisches. Tritt das Gasgemisch mit hoher Geschwindigkeit aus einem Brenner mit kleiner Öffnung in die Brennkammer, so brennt die Flamme in der Regel feinballig turbulernt; tritt es mit relativ kleiner Oeschwindigkeit aus einem renner mit großer Öffnung, so brennt die Flamme meist grobballig turbulent. In beiden Fällen werden dem Brenngas schon abgekühlte Verbrennungsgase zugemischt, wodurch die je Brenngasvolumeneinheit freiwerdende Verbrennungswärme und somit die Flammentemperatur in unerwünshcter Weise erniedrigt wird.
• Weiterhin haben die bekannten Brennkammern mit gleichbleibenden oder sich kontinuierlich ändernden Querschnitten den Nachteil, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches nur innerhalb kleiner Grenzen variiert werden kann@ Wenn sie zu gering wird, besteht die Gefahr des ZurJckschlagens der Flamme, gegebnnenfalls durch den Brennerkanal hindurch bis in den Mischbohälter, wo es zu ungewollten Explosionen kommen kann. Wird dagegen die Strömungsgeschwindigkeit zu stark, dann hebt die Flamme vom Brennermund ab und verlischt.
• Besonders bei exothermen Flammenreaktionen mit aggresiven Gasen, die man bevorzugt nur in Quarzglas-Brennkammern ablaufen läßt, sind große und turbulente Flammen schon wegen der aufwendigen Herstellung entsprechend große Brennkammern unerwUnscht. Dies gilt besonders für die Reaktion von gasförmigem Brom mit Wasserstoff unter Bildung von Bromwasserstoff.
• Das grobballig turbulente oder großflächige Abbrennen der Flamme hat bei Reaktionen mit geringer Exothermie weiterhin noch den Nachteil, daß die freiwerdende Reaktionswärme für eine vollzusätzlich geheizt werden.
• Zur Vermeidung der genannten Nachteile wurde nun eine Brennkammer gefunden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie röhrenförmig ausgebildet ist und ihr Querschnitt, vom Brennkammerkanalmund aus gesehen, stufenförmig sich vergrößert.
• In einem solchen Brennerraum, in dem der Querschnitt zwei- oder mehrstufig eich vergrößert, treten die oben genannten Nachteile nicht, oder nur in untergeordnetem Maße auf: Die Reaktionen, bzw.
• die Flamme, füllt nur ein kleines Teilyolumen der Brennkammer aus, und die im Bereich der Flamme sich befindlichen Verbrennungsgase vermischen sich nicht init schon abgek:lhlten Verbrennungsgasen.
• Die Flamme brennt laminar ab. Ferner ist eine weitgehende Variation der Strömungsgeschwindigkeit des Mischgases möglich, ohne daß die Flammenfront eine unstetige Fläche bildet oder der aus dem Brennkammerkanal austretende Mischgasstrahl vor Ablauf der Reaktion Verbrennungsgase ansaugen kann und damit die Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit erniedrigt. Letzteres wird dadurch erreicht, daß bei einer Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit die Flamme sich gemäß der Abhebegeschwindigkeit in dem Rohr mit dem nächst größeren Querschnitt stabilisieren kann. Umgekehrt ist auch eine Stabilisierung der Flamme bei einer Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit in dem Rohr mit dem nachst kleineren Querschnitt möglich.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Brennkammer besteht darin, den Übergangsstellen auf den Jeweilig größeren Querschnitt ie Rohre mit dcn kleineren Querschnitten mit einem rohrförmigen satzstück vorzugsweise gleichen Querschnitts in die Rohre mit en größeren Querschnitten derart hereinragen zu lassen, daß beim uebergang auf den Brennkammerteil mit dem größeren Querschnitt eine Kante oder ein Mundstück vorhanden ist, an dem sich die Flamme stabilisiert. Die Ansatzstücke können auch soweit in die weiteren Reaktorrohre hineinragen, daß sie etwa 10 % der Länge dieser Reaktorteile annehmen.
• Die beigefügte Figur zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkammer. In dieser Figur ist 1 der Brennkammerkanal, 2 die verschiedenen Brennkammerabschnitte mit jeils stufenförmig sich ändernden Querschnitten, 3 die ein Mundstück bildenden in die größeren Rohrabschnitte hineinragenden AnsatzstUcke der jeweils vorangegangenen Reaktorabschnitte mit kleinerem Querschnitt, 4 die Reaktionsflamme und 5 der Brnnerkanalmund.
• Die Querschnitte der einzelnen Brennkaintr.erteile richten sich nach der Menge der pro Zeiteinheit reagierenden Gase, bevorzugt sind sie kreisförmig. Die Differenz der Querschnitte sollte etwa mindestens den absoluten Betrag des Querschnittes des dem Brennkammerkanal nächsten Rohr ausmachen; Jedoch sind auch kleinere oder größere Differenzen möglich. Die Anzahl der Stufen richtet sich nach der Art der miteinander reagierenden Gase und der Menge des durchzusetzenden Gasgemisches.
• Die Länge der einzelnen Rohrteile kann auch weitgehend variiert erden, te nachdem, wieviel Stufen vorhanden sind und wie groß di Querschnittsdifferenzen zwischen den einzelnen Stufen sind. Im allgemeinen soll ein einzelnes Rohrteil etwa 1,5 bis 4 mal so ang sein wie der Durchmesser des entsprechenden Rohres.
• Die erfindungsgemäße Brennkammerform erlaubt ein einfaches Anfahren des Brenners. Es braucht nur die Stufe des Brenners aufgeheizt zu werden, in der bei angepaßtem geringen Gasdurchsatz die Flamme gezündet würde. Dies ist im allgemeinen die Stufe, ie sich direkt an den Brennkammerkanal anschließt. Der dort für ie Verbrennung nötige Gasdurchsatz kann rechnErisch ermittelt der in einem Vorversuch experimentell bestimmt werden. Eine Aufbeizung der gesamten Brennkammer auf die Aufheiztemperatur ist nicht nötig. Die Aufheizung der Kammer erfolgt entsprechend einer eventuell durchgeführten Durchsatzsteigerung mittels Erhöhung der StrUmungsgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches durch die bei der Reaktion freiwerdenden Wärme.
• Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkammerform die Einhaltung einer laminaren Flamme bei stark unterschiedlichen Durchsätzen. Der Abbrand erfolgt wandfern, so daß die Brennkammerwände sich nicht auf die Temperaturen der Flamme aufheizen.
• Dies wirkt sich besonders günstig bei Verwendung von Quarz- oder Borsilikatgläsern aus.
• Die erfindungsgemäße Brennkammer eignet sich besonders gut zur erstellung von Bromamsserstoff aus den Elementen. Dazu verwendet man beispielsweise eine Brennkammer, deren einzelnen Rohrabschnitte, vom Brennkammerkanal aus gesehen, einen Durchmesser von 5, 10 und 20 - besitzen und die entsprechend der beigefügten Figur ineinanderragen. Die länge der einzelnen Rohre ist gleich dem Zweifachen des 3eweiligen Rohrdurchmessers.
• In dieser Brennkammer aus Quarzglas wurde ein Gemisch aus Wasserstoff und Brom eingeleitet, das durch Durchleiten von Wasserstoff durch eine auf 40 °C temperierte Bromvorlage erhalten und anschließend vor seinem Eintritt in die Brennkammer Uber den Brennammerkanal auf 50 0C vorgewärmt wurde. Die Strömungsgeschwindigkeit lag bei etwa 1,5 m/sec. Bei dieser Geschwindigkeit konnte das Gemisch am MundstUck des 10 mm-Rohres durch äußere Beheizung des RohrstUckes gezündet werden. Eine weitere äußere Beheizung war nicht notwendig.
• Der bei der Verbrennung entstehende Bromwasserstoff wurde zur Abkühlung durch ein mit Tonscherben gefülltes Rohr und anschließend in einer Wasservorlage zur Absorbtion geleitet.
• Nach dem Zünden der Flamme wurde die Strömungsgeschwindigkeit variiert. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 0,6 m/sec trat Rückschlag auf das Mundstück des 5 mm-Rohres ein, während bis zu einer Geschwindigkeit von 2,3 m/sec kein Abheben von dem Mundstück des 10 mm-Rohres eintrat. In allen FEllen war der Umsatz an Brom quantitativ; das Bromwasserstoff-Auffanggefäß zeigte keine Braunfärbung.
• Die Flammentemperatur lag zwischen 800 und 870 0C, selbst wenn ein stöchiometrischer Überschuß an Wasserstoff in dem Gemisch vorhanden war. Die Wandtemperatur lag zwischen 320 und 400 °C.
• In vollkommen analoger Weise lassen sich bei Verwendung von Brennkammerrohren mit einem Durchmesser zwischen 10 und 40 mm zwischen 100 und 5000 l/h Bromwasserstoff herstellen. Eine solche Variationsbreite ist besonders dann von Vorteil, wenn der erzeugte Bromwasserstoff sofort weiterverarbeitet wird, wie z.B.
• zur Herstellung von 3-Bromphthalid aus 3-Chlorphthalid. Der gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellte Bromwasserstoff ann filr eine solche Reaktion direkt eingesetzt werden, da bei optimaler Einstellung sein H2-Uberschuß kleiner als 5 Vol.-% ist d der Bromgehalt des Bromwasserstoffs unter 0,1 Gew.-% liegt.
• iese Bedingungen mUssen bei einem groß technischen Einsatz von Bromwasserstoff, wie es die oben genannte Bromierung von 3-Chlorphthalid darstellt, mindestens eingehalten werden.
• L e e r s e i t e

Claims (2)

1. Patentansprüche Vorrichtung zur Durchführung von Flasmenreaktionen, bei denen gasförmige Reaktionspartner nach dem Vormischen und dem Durchströmen eines Brennnerkanals (1) in einer Brennkammer (2) exotherm miteinander reagieren, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Brennkammer (2) röhrenförmig ausgebildet ist und ihr Querschnitt, vom Brennerkanalmund (5) aus gesehen, stufenförmig sich vergrößert.
2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang auf den Rohrteil mit dem größeren Querschnitt das Ende des Rohrteils mit dem kleineren Querschnitt (3) in das Rohrteil mit dem größeren Querschnitt hineinragt.

   Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruche 1 oder 2 zur Herstellung von Bromwasserstoff aus gasförmigem Brom und Wasserstoff.