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Verfahren und Vorrichtung zum Abschrecken heisser Gase
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abschrecken heisser Gase, welche bei der Wärmespaltungsreaktion von Kohlenwasserstoffen in Azetylen und bzw. oder Olefine entstehen.
Um Azetylen und bzw. oder Olefine aus höhergesättigten Kohlenwasserstoffen herzustellen, bringt man diese in gasförmigen Zustand oder verdampften Zustand. Es ist jedoch ausserordentlich wichtig, wenn man beträchtliche Erträgnisse an ungesättigten Kohlenwasserstoffen erhalten will, die Dauer der Erwärmung zu kontrollieren und sie zwischen sehr engen Grenzen aufrecht zu erhalten. Man hat z. B. bei der Pyrolyse des Methans gefunden, dass die Ausbeute an Äthylen fast verdoppelt wird, wenn die Dauer der Reaktion bei 1400 C von 0, 014 auf 0, 0023 Sekunden abfällt und dass die Ausbeute an Azetylen sich um rund 8% vermehrt, wenn die Pyrolyse 0, 0029 Sekunden an Stelle von 0, 0085 Sekunden dauert (brit.
Patentschrift Nr. 709, 325). Bei diesen hohen Temperaturen schreitet die pyrolytische Reaktion fort und übersteigt-das Stadium der Bildung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, insbesondere unter Bildung von Kohlenstoff, Wasserstoff usw.
Man begrenzt die Dauer der Pyrolyse, indem man die gebildeten Gase plötzlich auf eine niedere Temperatur von 500-600 C abkühlt, also auf eine Temperatur bringt, bei welcher die ungesättigten Kohlenwasserstoffe beständiger sind.
Zahlreiche Verfahren wurden zu diesem Zwecke vorgeschlagen, namentlich die Querdurchstäubung des Pyrolysegases mit kaltem Wasser.
Diese Methode ist die wirtschaftlich vorteilhafteste, aber sie befriedigt nicht immer vollkommen, wenn sie in industriellem Massstab angewendet wird.
Infolge einer unerwünschten Durchdringung der Pyrolysezone mit Wasser ergibt sich zum Nachteil der Ausbeute an ungesättigten Kohlenwasserstoffen eine teilweise vorzeitige Abkühlung des in Entstehung begriffenen Gases.
Dies ist insbesondere bei einem Zentralzerstäuber der Fall, welcher unten in der Achse der Pyrolysekammer angeordnet ist, und der in Richtungen senkrecht zur Achse zerstäubt, wobei das herausgeschleuderte Wasser (dessen kinetische Energie ausreichend sein muss, um eine zu starke Ablenkung des Wasserschirmes durch den Gasstrom zu vermeiden), an der Aufprallstelle an der Wand des Ofens zur Bildung von nach allen Seiten sprühenden Strahlen Anlass gibt.
Anderseits treffen sich die Wasserstrahlen von Zerstäubern, die am Rande der Pyrolysezone angeordnet sind, in ihrem Vereinigungspunkt aus entgegengesetzten Richtungen und verursachen so beträchtliche Wirbelströmungen, von denen ein Teil in Form eines Wasserkegels oder von Nebeltröpfchen gegen die Pyrolysezone gelenkt wird, je nachdem, ob die Zerstäubung senkrecht oder leicht geneigt in bezug auf den Abfluss des Gasstromes erfolgt.
Bei den bis jetzt verwendeten Geräten werden die Wirbelströmungen keineswegs unterdrückt, wenn die Zerstäubung mit der Einführung des Wassers durch Öffnungen, die längs der Wand in der Pyrolysezone angeordnet sind, oder mit einem Wassergeriesel längs des äussersten Randes dieser Zone verbunden ist.
Gemäss der vorliegenden Erfindung behebt man diese Nachteile mittels eines Verfahrens und eines einfachen, eigenartigen Gerätes, welches es gestattet, quer zur Flussrichtung der heissen Gase einen vollständig geschlossenen Wasserschleier, dessen obere Fläche homogen und gleichförmig ist, zu erzielen, u. zw. dadurch, dass zwei Wasserschichten gebildet werden, von denen eine sich aus Strahlen zusammensetzt, welche gegen die Längsachse der Pyrolysezone gerichtet sind und die von Zerstäubern herrühren, die am äussersten Ende dieser Pyrolysezone angeordnet sind und die andere Wasserschicht, die sich über die vorhergehende ausbreitet, dadurch entsteht, dass das an der Innenwand der Pyrolysekammer herabfliessende Wasser mitgerissen wird.
Ein solches Ergebnis wird durch die Zusammenfassung gewisser Bedingungen erlangt, die notwendigerweise eingehalten werden müssen, damit das Verfahren zur raschen Abkühlung des Pyrolysegases seine volle Wirksamkeit entfaltet.
Für einen vertikalen Ofen mit kreisförmiger Pyrolysekammer gelten für die Wasserzerstäuber folgende Bedingungen :
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1. Öffnungsschlitz für die Zerstäubung des Wassers in dünnen Streifen mit einem Öffnungswinkel von ungefähr 60 gegen die Achse der Reaktionszone gerichtet.
2. Anordnung längs des Umfanges eines kegelstumpfartigen Kranzes, von grösserem Durchmesser als dem der Pyrolysekammer.
3. Neigung der Wand des Kranzes unter einem Winkel von 10 bis 15 in bezug auf die Achse des Ofens.
4. Neigung jedes Zerstäubers unter einem Winkel von 2 bis 5 in bezug auf die Horizontale.
Wenn diese Bedingungen eingehalten werden, bilden die Wasserstrahlen, die unter Druck von jedem Zerstäuber abgegeben werden und sich fächerförmig ausbreiten und sich in einer horizontalen Ebene überdecken, eine geschlossene und stabile Wasserdecke, die gegen den unteren Teil leicht konisch ist, d. h. einen Öffnungswinkel von etwa 1200 aufweist, und dort, wo sie nach unten austritt, durch die Wiedervereinigung der verschiedenen Streifen einen Wasserkonus bildet, und die nach oben nur einen sehr leichten Hebel aus Wassertröpfchen bildet, der praktisch ohne ungünstigen Einfluss auf die pyrolytische Reaktion ist.
Diese Ergebnisse werden noch verbessert, wenn man, wie auf Seite 3, im 3. Absatz beschrieben, über diese erste Wasserdecke eine zweite Decke legt, die durch einen dem Abschneiden analogen Effekt die Bildung dieses Nebels verhindert, in dem das für den Wasserschirm benützte Wasser, welches an der Wand der Reaktionskammer herabfliesst, von dem aus den Düsenschlitzen austretenden Wasser mitgerissen wird und so eine zweite, homogene und glatte Decke bildet. Diese zweite Decke wird demnach vorzugsweise von dem Wasserschirm abgeleitet, welcher die Innenseite der Wand in der Pyrolysezone gegen die Ablagerung von Kohlenstoff schützt.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zum Abschrecken heisser Gase, die bei der Wärmespaltung von Kohlenwasserstoffen in einer lotrechten zylindrischen Reaktionskammer gebildet werden, durch konzentrisches, strahlen- förmiges Eindüsen von Wasser in den heissen Gasstrom, wobei das an den Wänden der Reaktionskammer herabfliessende Wasser mitgerissen wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet, ist, dass das Wasser in Form von dünnen, sich überlappenden Fächern, die einen Öffnungswinkel von ungefähr 60'besitzen sowie aus der Horizontalen um 2-5" verdreht und in Richtung des Abflusses des Pyrolysegases leicht geneigt sind, unter Bildung einer geschlossenen Wasserdecke aus Düsenschlitzen, die am Mantel einer an die Reaktionskammer anschliessenden kegelstumpfförmigen Erweiterung angeordnet sind,
der bis 10-15 zur Achse der Reaktionskammer geneigt ist, eingedüst wird.
Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht aus einer an der Innenwand mit einem Wasserschleier versehenen Reak- tionskammer, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Mantel 8, der an die Reaktionskammer 3 anschliessenden, kegelstumpf- förmigen Erweiterung einen Winkel von 10 bis 15 zur Achse der Reaktionskammer 3 besitzt und Düsenschlitze 7, die aus der Horizontalen um 2-50 verdreht sind und die Erzeugung von leicht nach unten gerichteten dünnen Wasserfächern mit einem Öffnungswinkel von ungefähr 60'ermöglichen, aufweist.
Die angeschlossenen Figuren zeigen die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Azetylen, ohne sich jedoch darauf zu beschränken.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen kreisförmigen Ofen zur Verwirklichung dieser teilweisen Verbrennung, mit der Vorrichtung zur raschen Abkühlung des Pyrolysegases, Fig. 2 ist eine Abwicklung eines Teiles des Mantels, längs welcher die Zerstäuber angeordnet sind. Fig. 3 ist ein Querschnitt des Ofens der Fig. 1 bei x-y.
Der kreisförmige Ofen umfasst einen Verteiler 1 in Form einer feuerfesten zylindrischen Scheibe, durchsetzt von parallelen Kanälen 2 zur Verteilung des reaktionsfähigen Gasgemisches in der Verbrennungskammer, welche durch die Wand 4 begrenzt ist. Längs seines äusseren Umfanges ist der Verteiler j ? mit einem hohlen metallischen Ring 5 versehen, in welchem eine Öffnung 6 in Form eines Schlitzes vorgesehen ist.
Am äussersten Ende der Verbrennungskammer sind längs des Umfanges eines kegelstumpfförmigen Mantels 8, dessen mittlerer Durchmesser grösser als derjenige der Verbrennungszone ist und der um einen Winkel von 15 in bezug auf die Achse des Pyrolyseofens geneigt ist, die Zerstäuber 7 angeordnet. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die Einspritzschlitze der Zerstäuber leicht geneigt, u. zw. unter einem Winkel von 2 in bezug auf die Horizontale.
Durch die Kanäle 2 führt man das vorgewärmte Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff in die Verbrennungszone 3 ein, wo es sich entzündet. Durch den hohlen metallischen Ring 5 und den Schlitz 6 wird unter Druck Wasser längs der Wand 4 der Verbrennungszone eingespritzt. Anderseits zerstäubt man Wasser durch die Düsen 7 in Form dünner Streifen, die einen Öffnungswinkel von 60'aufweisen und die in Richtung des Abflusses der Pyrolysegase leicht geneigt sind. Unter diesen Voraussetzungen sind beispielsweise für einen Pyrolyseofen, dessen Verbrennungskammer 4 einen Durchmesser von 500 mm aufweist, 32 Zerstäuber erforderlich, die in gleichen Abständen auf dem kegelstumpf- förmigen Mantel 8, dessen mittlerer Durchmesser etwa 630 mm beträgt, angeordnet sind.
Die von den Düsen ausgehenden fächerförmigen Wasserstrahlen überdecken sich und bilden eine vollständig geschlossene und homogene Schicht, die nahezu zur Gänze die Pyrolysezone abschliesst, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Auf dieser Schicht breitet sich das Wasser des Schutz-
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schirmes der Wand 4 aus und man erhält so, als Resultante dieser beiden Schichten, einen stabilen Wasserschleier mit einer gleichförmigen oberen Fläche grösster Wirksamkeit,
Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur raschen Abkühlung des Pyrolysegases hat man bei der teilweisen Verbrennung von Methan ein Pyrolysegas erhalten, welches einen Gehalt von 8, 4% Azetylen aufwies (bezogen auf das trockene Gas), während bei der Verwendung anderer Verfahren und Geräte, die bis jetzt bekannt geworden sind, der Gehalt nur 8% betrug.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Abschrecken heisser Gase, die bei der Wärmespaltung von Kohlenwasserstoffen in einer lotrechten zylindrischen Reaktionskammer gebildet werden durch strahlenförmiges Eindüsen von Wasser in den heissen Gasstrom, wobei das an den Wänden der Reaktionskammer herabfliessende Wasser mitgerissen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in Form von dünnen, sich überlappenden Fächern, die einen Öffnungswinkel von ungefähr 60 be- sitzen sowie aus der Horizontalen um 2-5 verdreht und in Richtung des Abflusses des Pyrolysegases leicht geneigt sind, unter Bildung einer geschlossenen Wasserdecke aus Düsenschlitzen, die am Mantel einer an die Reaktionskammer anschliessenden kegelstumpfförmigen Erweiterung angeordnet sind,
der 10-15'zur Achse der Reaktionskammer geneigt ist, eingedüst wird.