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Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung der Ablagerung von kohle- und teerhaitigen Materialien an der Wand der Pyrolysekammer eines Ofens für die thermische Behandlung von Kohlenwasserstoffen
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Kohlenwasserstoffen dienenden Ofens eine inerte Flüssigkeit in kontinuierlichem Strom in Berührung mit der Innenwand der Pyrolysekammer spiralig so umgewirbelt, dass die Ablagerung von kohle-und teerhaltigen Materialien an der Wand der Kammer verhindert wird.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung werden am Einlassende der Pyrolysekammer eines Ofens für die thermische Behandlung von Kohlenwasserstoffen, zur Bildung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, Verteileinrichtungen so vorgesehen, dass ein im wesentlichen kontinuierlicher Strahl inerter Flüssigkeit derart gelenkt wird, dass die Flüssigkeit in Berührung mit der Innenwand der Kammer einen spiralig umwirbelnden Schleier bildet.
Durch die Verwendung der eben erwähnten Verteileinrichtungen in dem Ofen werden die festen und starren Wände der Pyrolysezone praktisch durch flüssige und dynamisch bewegte Wände ersetzt, welche die in der der Pyrolyse unterworfenen Reaktionsmischung gebildeten Kohleteilchen mitreissen. Gleichzeitig macht es der Flüssigkeitsschleier möglich, eine im wesentlichen unveränderte Pyrolysezone aufrecht zu erhalten, die Wände vor den thermischen Wirkungen der Reaktion zu schützen und einen katalytischen Einfluss der Kammerwände auf die Reaktion selbst zu verhindern. Verglichen mit andern bekannten Einrichtungen und unter gleichen Bedingungen in der Pyrolysekammer, ist der Flüssigkeitsschleier homogener, so dass niedrigere Drucke und Strömungsgeschwindigkeiten angewendet werden können.
Auf diese Art bleiben die Wände der Pyrolysekammer nicht ungeschützt und es wird eine hohe Wirksamkeit des schützenden Schleiers erreicht. Die Verteileinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Ring, der mit spiralig angeordneten Vertiefungen versehen ist, die vorzugsweise in einem Winkel von 45 zu der Längsachse des Verteilerringes angeordnet sind.
Die Geschwindigkeit des wirbelnden Flüssigkeitsschleiers sollte so gewählt werden, dass die Berührungszeit der der Pyrolyse unterworfenen Gase mit dem Schleier gering ist, so dass nur ein geringer Wärmeaustausch zwischen den Gasen
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und dem Schleier stattfindet. Es sei darauf verwiesen, dass der Schleier am Einlass der Pyrolysekammer beginnt, so dass die Wand der letzteren vollständig geschützt ist. Daher vollzieht sich die Pyrolysereaktion unter optimalen thermischen Bedingungen und in einem Raum festgelegter Ausdehnung, so dass eine hohe Acetylenausbeute erhalten wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Verwirklichungwird nunauf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen darstellen :
Fig. 1 eine teilweise und schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer ersten konstruktiven Ausführungsform eines Ofens zur Herstellung von Acetylen und/oder Äthylen durch teilweise Pyrolyse gesättigterer Kohlenwasserstoffe ; Fig. 2 eine teilweise und vergrösserte Ansicht im senkrechten Längsschnitt eines Details gemäss Fig. 1 ; Fig. 3 ein schematisches Bild eines Teiles des in Fig. 2 dargestellten Details ;
Fig. 4 eine der in Fig. 1 wiedergegebenen entsprechende Ansicht einer zweiten konstruktiven Ausführungsform des Ofens, die für den Gebrauch bei der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen durch Einspritzung derselben in heisse Verbrennungsgase bestimmt ist und Fig. 5 eine teilweise und vergrösserte Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Details gemäss Fig. 4.
Bezugnehmend zunächst auf die Fig. 1-3 ist ein Verteilerring 4 für die Flüssigkeit anschlie- ssend und unterhalb eines scheibenförmigen Verteilers 1 für Brennstoff und Sauerstoff am Oberende der Verbrennungskammer 3 eines vertikalen, zylindrischen Pyrolyseofens angeordnet.
Venturiförmige Leitungen 2 durchdringen den scheibenförmigen Verteiler 1 und bilden Auslässe für den Brennstoff und das zu verbrennende Material zu der Verbrennungskammer 3, und eine ringförmige, eingeschlossene Leitung 6 für die Wasserzufuhr zu dem Verteilerring 4 ist in dem Verteiler 1 rings um dessen Peripherie gebildet. Der Ring 4 ist aussen mit Vertiefungen versehen, die, wie in Fig. 3 gezeigt, spiralig angeordnet sind, welche Figur eine Darstellung eines Teiles der äusseren Oberfläche des Ringes 4 ist. Zwischen der ringförmigen Leitung 6 und den spiraligen Vertiefungen 5 ist eine Verbindung hergestellt durch die eine ringförmige Ausnehmung 7 von V-förmigem Querschnitt, gebildet zwischen der äusseren Wandung des Ringes 4 und den Ofenwänden, wie in Fig. 2 dargestellt.
Ein Einlassrohr 8 führt in die Ringleitung 6 und eine
Sprühvorrichtung 9 für das Kühlwasser ist nahe dem Boden der Verbrennungskammer 3 angeordnet. Schliesslich können eines oder mehrere Kühlrohre 10 in Längsrichtung innerhalb des scheibenförmigen Verteilers 1 quer zur Richtung der venturiförmigen Auslassleitungen 2 angeordnet sein.
Beim Betrieb des eben beschriebenen Ofens treten der zu pyrolysierende Kohlenwasserstoff und der Sauerstoff durch die Leitungen 2 im Verteiler 1 in die Verbrennungskammer 3 ein. Teilweise Verbrennung des Kohlenwasserstoffes findet statt und die gasförmigen Reaktionsprodukte werden durch das Wasser gekühlt, das quer zu den Gasen durch die Sprühvorrichtung 9 eingeleitet wird.
Um die Wände der Verbrennungskammer 3 zu schützen und die Kohleablagerung auf den Wänden zu verhindern, wird Wasser unter Druck durch das Einlassrohr 8 in die Ringleitung 6 geführt und tritt in die spiraligen Vertiefungen 5 im Verteilerring 4 durch den ringförmigen Schlitz 7 ein. Das Wasser wird von den Vertiefungen 5 in die Verbrennungskammer 3 geschleudert, so dass ein im wesentlichen kontinuierlicher Schleier gebildet wird, der um die inneren Wände der Verbrennungskammer spiralig herumwirbelt und mit ihnen in Berührung bleibt. Schliesslich kann wenn Kühlrohre 10 vorgesehen sind, eine Kühlflüssigkeit, wie Wasser, unter Druck hindurchge- führt werden, um eine Überhitzung des Verteilers 1 zu vermeiden.
In den Fig. 4 und 5, auf die nunmehr Bezug genommen wird, ist ein anderer Ofen für die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen dargestellt. Ein Verteilerring 11 für Wasser ist zwischen einer Verbrennungskammer 12 und einer Pyrolysekammer 13 vorgesehen, wobei der Ring 11 so angeordnet ist, dass er den Innenwänden 22 der Pyrolysekammer 13 Wasser zuführt. Ein ringförmiger Kühlmantel 15 umgibt die Pyrolysekammer 13 und ein ringförmiger Kühlmantel 15A die Verbrennungskammer 12. Ein Einlassrohr 14 führt in den Mantel 15 und ein Einlassrohr 16 in den Mantel 15A, der mit einem Auslassrohr 17 verbunden ist. Der Ring 11 ist an seiner Aussenseite in der gleichen Weise mit spiraligen Vertiefungen versehen, wie der Ring 4, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 vorstehend erläutert.
Eine ringförmige Öffnung 21 ist nahe dem oberen Ende der
Innenwand 22 der Pyrolysekammer 13 gebildet undführtindiespiraligen Vertiefungenam Ringll, wobei spiralig geformte Leitungen 23 zwischen der Wand 22 und den Vertiefungen im Ring 11 gebildet werden. Einlässe 18 für den zu pyrolysie- renden Kohlenwasserstoff sind oberhalb des
Ringes 11 und eine Sprühvorrichtung 24 für
Kühlwasser ist nahe dem Boden der Pyrolyse- kammer 13 vorgesehen.
Beim Betrieb des eben beschriebenen Ofens treten Brenngas und Sauerstoff in die Verbren- nungskammer 12 bei 19 bzw. 20 ein und werden sofort gezündet. Der zu pyrolysierende Kohlen- wasserstoff wird bei 18 in die so gebildeten heissen
Verbrennungsgase eingedüst und die erhaltene
Mischung tritt dann in die Pyrolysekammer ein.
Die Pyrolyse des Kohlenwasserstoffes findet statt und die gasförmigen Reaktionsprodukte werden durch Wasser abgeschreckt, welches quer zu den
Gasen durch die Sprühvorrichtung 24 einge- spritzt wird. Ein Strom von Kühlwasser wird in dem ringförmigen Mantel 15 A aufrecht erhalten, wobei das Wasser in den Mantel durch den Ein- lass 16 einströmt und ihn durch den Auslass 1 í verlässt. Gleichzeitig wird durch das Einlassrohr 14 dem Mantel 15 Wasser zugeführt.
Das Wasser fliesst durch den Mantel 15 und die Öffnung 21 in die Leitungen 23 und wird von diesen Leitun-
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gen auf die Innenwand 22 der Pyrolysekammer geschleudert, um dort einen im wesentlichen kontinuierlichen Wasserschleier zu bilden, der spiralig um die Innenwand 22 herumwirbelt und die Wand bedeckt und schützt.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird im folgenden je ein Beispiel für die Arbeitsweise der eben beschriebenen Öfen gegeben :
Beispiel 1 : Bei diesem Beispiel wurde der in den Fig. 1-3 wiedergegebene Ofen verwendet
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wasserstoff mit 1-2 C-Atomen und 1000 mSJh Sauerstoff durch die Leitungen 2 des Verteilers 1 eingeführt, wobei die Gasfraktion und der Sauerstoff auf eine Temperatur von etwa 4500 C vorerhitzt worden waren. 2, 5 mSJh Wasser wurden durch das Rohr 8 zugeführt und durch die ringförmige Leitung 6, die Ausnehmung 7 und die spiraligen Vertiefungen 5 im Ring 4 strömen gelassen ; das Wasser bildete an der Innenseite der Wand der Verbrennungskammer 3 einen Schleier, der dort und in Berührung mit der Innenwand spiralig herumwirbelte.
Die teilweise Verbrennungsreaktion lieferte 3400 m3/h Pyrolysegas, welches 10 kg/h Russ enthielt. Das Pyrolysegas wurde durch Einspritzen von Wasser quer in das Gas durch die Sprühvorrichtung 9 abgeschreckt. Der Acetylengehalt des Pyrolysegases betrug 7, 2%.
Ungefähr die Hälfte des Russes wurde von dem Pyrolysegas mitgerissen und wurde daraus bei der folgenden Reinigung entfernt, während der restliche Russ aus dem in die Verbrennungskammer eingeführten Wasser (einschliesslich des durch die Sprühvorrichtung 9 eingeführten Wassers) entfernt wurde.
Der in den Fig. 1-3 dargestellte Ofen wurde mehrere Wochen kontinuierlich betrieben und dann stillgelegt und untersucht. An den Wänden der Kammer befanden sich keine Spuren von kohle- oder teerhaltigen Ablagerungen, obwohl die Wand der Verbrennungskammer nicht glatt war und einige Vorsprünge aufweis. Es zeigt sich also, dass der Wasserschleier mit seiner wirbelnden oder spiraligen Bewegung durch die Vorsprünge nicht zerissen worden war.
Bei einem andern unter den gleichen Bedingungen durchgeführten Versuch, aber ohne den Wasserschleier, musste der Ofen nach einigen
Stunden zwecks Reinigung der Verbrennungskammer stillgelegt werden.
Beispiel 2 : Bei diesem Beispiel wurde der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ofen verwendet und es wurden in die Verbrennungskammer 12 4800 m3 pro Tag Sauerstoff und 5200 m pro Tag Koksofengas, enthaltend 59% H2 und 25, 5% Methan durch die Einlässe 19 und 20 eingeführt und gezündet, wobei der Sauerstoff und das
Koksofengas auf 450 C vorgewärmt worden waren. Überhitzter Dampf einer Temperatur von etwa 14000 C wurde dadurch in der Verbrennungskammer erzeugt und in den Dampf wurden durch den Einlass 18 4070m3 pro Tag einer Propan-Butan-Mischung, die auf 350 C vorgewärmt worden war, eingeführt, welche Mischung die folgende Zusammensetzung hatte :
Propan
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3Vol.-%, Butanl5, 3 Vol.-%, Buten 2, 4 Vol.-%.lassrohr 14 in den Mantel 15 eingelassen, von wo das Wasser durch die Öffnung 21 in die Leitungen 23 strömte, um dort einen spiraligen Schleier entlang der Innenwand 22 der Verbrennungskammer 13 zu bilden. Das erhaltene Pyrolysegas wurde abgeschreckt, indem Wasser quer in das Gas durch die Sprühvorrichtung 24 eingespritzt wurde. Es wurde gefunden, dass das Gas 9, 8 Vol.-% Acetylen und 11, 2 Vol.-% Äthylen (berechnet auf trockenes Gas) enthielt.
Auch dieser Ofen wurde mehrere Wochen in Betrieb gehalten, ohne dass es notwendig war, ihn zwecks Reinigung der Innenwand 22 der Pyrolysekammer stillzulegen, und der Ofen wurde für die gleichzeitige Herstellung von 2 Tonnen Acetylen und 2, 5 Tonnen Äthylen pro Tag verwendet.
Obwohl in den oben beschriebenen Öfen Wasser als die Flüssigkeit genannt wurde, welche den spiraligen Schleier bildet, können auch schwer entflammbare Schweröle an Stelle von Wasser verwendet werden. Diese Öle haften stärker als Wasser an den Innenwänden des Ofens und erlauben die Anwendung höherer Temperaturen im Ofen. Netzmittel können zu der Flüssigkeit zur Verminderung ihrer Oberflächenspannung zugegeben werden.
Es sei ausdrücklich erwähnt, dass der oben beschriebene Verteiler in andern Öfen als in den beiden erwähnten Ausbildungen angewendet werden kann, aber die Pyrolysekammer des Ofens soll einen geschlossenen, kurvenförmigen Querschnitt aufweisen, d. h. kreisförmig oder elliptisch sein, so dass die Aufrechterhaltung eines im wesentlichen kontinuierlichen dynamischen Flüssigkeitsschleiers über die ganze Ausdehnung der Pyrolysekammer möglich ist.
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