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Verfahren und Vorrichtung zur chemischen Umsetzung gasförmiger bzw. flüssiger Stoffe mittels eines Lichtbogens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von unter Wärmewirkung umgesetzten Materialien unter Verwendung eineswandstabilisierten Lichtbogenplasmastrahls hoher Intensität als Wärmequelle und gegebenenfalls auch als Reaktionsmaterialquelle. Insbesondere betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, wie Acetylen, durch Pyrolyse von strömungsfähigen Kohlenwasserstoffen, wie Methan, unter Verwendung eines Stroms eines Gases, z. B. Wasserstoff, das durch einen als Wärmequelle dienenden wandstabilsierten elektrischen Lichtbogen erhitzt wird.
Seit vielen Jahren werden elektrische Lichtbögen als Wärmequellen bei der Durchführung von thermischen und chemischen Reaktionen verwendet. In dieser Hinsicht sind als Beispiel Apparaturen zu erwähnen, in welchen das zu behandelnde Gas über einen in einem langen Rohr erzeugten und durch das strömende Gas verlängerten Lichtbogen geleitet wird. Das an einem Ende des Rohres eingeführte Gas wird nach Einwirkung der intensiven Hitze und Strahlungen des Lichtbogens am andern Ende entzogen und danach die Reaktionsprodukte auf geeignete Weise getrennt. Diese bekannten Lichtbogenverfahren haben den Nachteil, dass der Lichtbogen unstabil ist, dass unerwünschte Variationen in der Lichtbogentemperatur auftreten und dass eine komplizierte oder voluminöse Einrichtung erforderlich ist.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zur Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens war die Bildung grosser Mengen Russ.
In jüngster Zeit wurde vorgeschlagen, einen wandstabilisierten Lichtbogen zur Durchführung von chemischen Reaktionen zu verwenden. Dabei wird als ein wandstabilisierter Lichtbogen ein Lichtbogen bezeichnet, der zusammen mit einem Gasstrom durch einen verengten Düsenkanal geführt wird, wobei das durch die Wandung des Kanals eingeschnürte Lichtbogen-Gas-Gemisch in einen einheitlichen, durch die Düsenöffnung verformten Plasmastrahl verwandelt wird. Der innerhalb der formgebenden Öffnung angeordnete Teil des Lichtbogens bildet eine äusserst intensive Wärmequelle. Die Bedingung der Wandstabilisierung ist erfüllt, wenn die Düse den Lichtbogen in einem so kleinen Abstand umgibt, dass sich bereits längs des von der Düse umgebenen Teils des Lichtbogens ein Spannungsgefälle ausbildet.
In diesem früher vorgeschlagenen Verfahren wurde der wandstabilisierte Lichtbogenplasmastrahl mittels eines Lichtbogens erzeugt, der zwischen einer in einer Düse mit verengtem Austrittskanal angeordneten Stabelektrode und einer stromabwärts von der Düsenmündung angeordneten Ringelektrode gebildet wurde. Der Raum zwischen der Düse und der Ringelektrode war von einer Wand umgeben und das umzusetzende Material wurde in die so gebildete Kammer eingeführt. Dieses Verfahren hatte jedoch den Nachteil, dass die bereits intensiver Wärme ausgesetzte Ringelektrode ausserdem der Korrosionswirkung des Reaktionsmaterials oder seiner Produkte ausgesetzt ist.
Die Erfindung bezweckt vor allem die Schaffung eines zur Durchführung von chemischen Reaktionen dienenden Lichtbogenverfahrens, das von den vorgenannten Nachteilen der bekannten Verfahren frei ist.
Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbesserten Licbtbogenverfahrens zur Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen zwecks Bildung von stärker ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
Weiters bezweckt die Erfindung zur Erzeugung von Acetylen durch die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen eine relativ einfache, kompakte Vorrichtung zu schaffen, in der grosse Volumina von Reaktionspartnern rasch zur Bildung von hochvolumenprozentigem Acetylen pyrolisiert werden können.
Erfindungsgemäss ist ein Verfahren zur chemischen Umsetzung gasförmiger bzw. flüssiger Stoffe mittels eines Lichtbogens, wobei das umzusetzende Material mit einem wandstabilisierten Lichtbogenplasmastrahl hoher Wärmeintensität zusammengebracht wird, welcher dadurch erzeugt wird, dass ein Lichtbogen zwischen einer in einer Düse angeordneten nicht verschmelzenden Stabelektrode und einem als zweite Elektrode dienenden Wandungsteil der Düse gebildet und durch einen den Lichtbogen einschnürenden Auslass der Düse mittels eines durch die Düse fliessenden Gasstroms getrieben wird, wodurch das Lichtbogen-Gas-Gemisch als einheitlicher Plasmastrahl die Düse verlässt, dadurçh gekennzeichnet, dass das umzusetzende Material mit dem Plasmastrahl stromabwärts von dem als Elektrode dienenden Düsenwandteil zusammengebracht wird.
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Ferner schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Ver- fahrens, mit einer nicht verschmelzenden Stabelektrode, die koaxial in einer Düse mit verengtem Austritts- kanal angeordnet ist und deren Spitze in der Nähe der Eintrittsöffhung des Kanals angeordnet ist, wobei die Düse stromaufwärts von der Austrittsöffnung des Kanals eine Gegenelektrode aufweist, zwischen der ! und der Stabelektrode ein Lichtbogen gebildet wird, der bei einer. Gasströmung durch die Düse in den verengten Kanal eintritt.
Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in eine koaxiale Umschliessung mündet, die mit einem Einlass für die Einführung von flüssigem oder gas- förmigem Material in Verbindung steht, das durch den aus der Düse austretenden Plasmastrahl unter
Wärmewirkung umgesetzt werden soll, sowie mit einem Austritt für die Abfuhr der durch diese thermische
Reaktion gebildeten Produkte.
Da beide Elektroden stromaufwärts der Düsenöffnung angeordnet sind, bleibt jedes in den aus der
Düse ausgetretenen Plasmastrahl eingeführte Material ausser Kontakt mit den Elektroden und kann daher auf diese keinen schädlichen Einfluss ausüben.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Gas, wie Wasserstoff oder Argon, durch einen wand- stabilisierten elektrischen Lichtbogen hoher Intensität geführt, worauf der so erhaltene heisse Gasstrom mit einem Reaktionsmaterial gemischt wird. Zur Erzeugung von Acetylen kann in den den Lichtbogen verlassenden heissen Gasstrom ein gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoff eingeführt werden, oder es kann der von dem Lichtbogen kommende heisse Gasstrom in ein relativ grosses Volumen von flüssigem
Kohlenwasserstoff eingeführt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat bei der Durchführung von chemischen Reaktionen bei hohen
Temperaturen mehrere besondere Vorteile. Ein Vorteil besteht darin, dass der Lichtbogenplasmastrahl beim Durchtritt durch die wandstabilisierende Düse ständig auf einen gewählten Wärmegehalt erhitzt wird.
Daher kann der Wärmegehalt, bei dem man die günstigsten Reaktionsbedingungen und die beste Produkt- ausbeute erhält, leicht über lange Betriebsperioden aufrechterhalten werden. Der volumetrische Wärme- gehalt des Lichtbogeneffluenten kann ohne weiteres durch entsprechende Einstellung der Lichtbogen- intensität oder der Strömungsmenge des Gases variiert werden. Ein weiterer für die Acetylenerzeugung nützlicher Vorteil besteht darin, dass die jeweilige Geschwindigkeit der Gasströmung so ausgewählt und konstant gehalten werden kann, dass das in der Pyrolysereaktion erzeugte Acetylen innerhalb einer bestimm- ten Zeitspanne in eine Abschreckzone gebracht wird. Diese Zeitspanne zwischen der Bildung des Acetylens und dem Abschrecken ist kritisch und soll zur Erzielung höchster Acetylenausbeuten möglichst kurz sein.
Reaktionszeiten in der Grössenordnung von 1 bis 4 Millisekunden sind mit Erfolg angewendet worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren hohe, wenn auch nicht unbe- dingt optimale Ausbeuten von Acetylen auch dann erzielt werden können, wenn in der Strömungsgeschwin- digkeit des Lichtbogengases, der Intensität des Lichtbogens und dem Wärmegehalt des austretenden Gas- stroms beträchtliche Schwankungen auftreten.
Eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, in welcher die Fig. 1 bis 3 im Längsschnitt drei Ausführungsformen der Erfindung zeigen, die zur Durchführung von chemischen
Reaktionen, insbesondere zur Erzeugung von Acetylen, geeignet sind.
In Fig. 1 ist 10 ein zylindrischer Kupferkörper mit einer zylindrischen Bohrung 12, die sich zu einer zylindrischen Düse 14 in dem Anodenteil des Körpers 10 verjüngt. Mit der Bohrung 12 axial fluchtend ist im Abstand von den Wänden des Körpers 10 eine Kathode 16 angeordnet, die vorzugsweise die Form einer Stange oder eines Stabes hat und zweckmässig aus thoriertem Wolfram besteht. Die Anode 18 und der Körper 10 können. zweckmässig aus Kupfer bestehen. Um ein Schmelzen unter der Einwirkung der Lichtbogenwärme zu verhindern, werden der Brennerkörper 10 und der Anodenteil18 mit Wasser oder einem anderen Kühlmedium gekühlt. Selbst unter diesen Bedingungen ist jedoch der Anodenteil einer starken Erosion und Grübchenbildung durch den Lichtbogen ausgesetzt.
Es hat sich gezeigt, dass die Erosion der Anode praktisch beseitigt werden kann, wenn man Vorzugselektrodeneinsätze in der Anodendüsenwand vorsieht. Die Vorzugsanode ist hier mit Einsätzen 20 und 21 dargestellt, die beide die Form kleiner Stangen haben. Dieser Einsatz kann jede gewünschte Form haben, sofern eine Fläche zu dem Düsenkanal hin freiliegt. Die Vorzugselektrode kann aus Wolfram, Tantal oder einem andern Material bestehen, das gegenüber einer Erosion durch den elektrischen Lichtbogen hoher Intensität widerstandsfähig ist. Es ist wichtig, dass der Einsatz so montiert ist, dass zwischen ihm und dem benachbarten kühlen Anodenmaterial nur eine geringe Wärmeübertragung vorhanden ist, damit der Einsatz im Betrieb eine höhere Temperatur hat als das ihm benachbarte Anodenmaterial.
Dadurch wird die in den Düsenkanal freiliegende Fläche des Einsatzes im Betrieb heiss, so dass der Lichtbogen trachtet, auf den heissen Einsatz und nicht auf die benachbarte kühle Kupferanode aufzutreffen. Diese geringe Wärmeübertragung wird zweckmässig dadurch erzielt, dass der Einsatz lose in die Anodenwand eingesetzt wird, so dass der elektrische Anschluss durch Lötung nur an der Aussenfläche erfolgt. Die Verwendung dieser Wolframeinsätze bewirkt eine Herab- setzung der Anodenerosion, insbesondere wenn als Lichtbogengas ein aktives diatomisches Gas wie Wasserstoff oder Stickstoff, verwendet wird.
Der Reaktorkörper 22 enthält eine zylindrische Reaktionskammer 24, die axial mit der Düse 14 fluchtet, sowie eine Ringkammer 26, die über mehrere in der Umfangsrichtung angeordnete Öffnungen 28 mit der Reaktionskammer 24 in Verbindung steht.
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Der Abschreckkörper 30 enthält eine langgestreckte zylindrische Kühlkammer 32, die axial mit der Reaktionskammer 24 fluchtet. Die Ringkammer 34 des Kühlkörpers 30 enthält mehrere in der Umfangsrichtung angeordnete Öffnungen 35, die mit der Abschreckkammer 32 in Verbindung stehen.
Im Betrieb wird der Körper 10 mit Wasser oder einem andern Kühlmedium gekühlt, das durch die Leitung 36 eintritt, die Ringkammer 38 durchströmt und durch die Leitung 40 heraustritt. Der Reaktionkörper 22 wird mit Wasser oder einem andern Kühlmedium gekühlt, das durch die Leitung 42 eintritt, die Ringkammer 44 durchströmt und aus ihr über die Leitung 46 austritt.
Die Kathode 16 und die Anode 18 sind über Leitungen 92 und 94 an eine elektrische Stromquelle 84 angeschlossen, die einen Hochdruck-Lichtbogen zwischen den Elektroden speist. Über einen nicht gezeigten Einlass wird ein Strom eines Lichtbogengases, wie Wasserstoff, Argon oder eines andern geeigneten Gases oder Gasgemisches, in den Ringraum zwischen der Bohrung 12 und der Kathode 16 eingeleitet.
Das Gas strömt um die Kathode 16 herum und in die Düse 14. Durch die Strömung dieses Gases wird der zwischen den Elektroden gebildete Lichtbogen in die Düse 14 hineingedrückt und das gebildete Plasma wird durch die Wände der Düse stabilsiert und seitlich so begrenzt, dass es den Abmessungen der Düse entspricht. Das Plasma entspricht somit der Querschnittsform der Düse und wird als heisser, schnell strömender Gasstrom in die Reaktionskammer 24 abgegeben.
Das zu pyrolysierende strömungsfähige Kohlenwasserstoffmaterial tritt über die Kohlenwasserstoffzuführungsleitung 48 in die Ringkammer 26 ein und wird durch die Öffnung 28 in den heissen, schnell strömenden Gasstrom eingeleitet, der aus der Düse 14 in die Reaktionskammer 24 eintritt. In der Reaktionskammer 24 erfolgt die Pyrolyse und das Cracken des strömungsfähigen Kohlenwasserstoffmaterials.
Aus der Reaktionskammer 24 gelangen die heissen Gase in die Abschreckkammer 32, in der sie durch einen aus Wasser oder einem andern Kühl- bzw. Abschreckmedium bestehenden Sprühnebel rasch gekühlt werden. Das Abschreckmedium tritt über die Leitung 50 in die Ringkammer 34 ein und wird durch die Öffnungen 35 in die Abschreckkammer 32 gesprüht. Die abgeschreckten Reaktionsgase gelangen dann in Richtung des Pfeiles in eine nicht dargestellte Sammelvorrichtung, worauf sie gegebenenfalls in verschiedene Komponenten zerlegt werden können.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 wird vorzugsweise stehend betrieben, wobei das Gas aus der Bohrung 12 abwärts in die Abschreckkammer 32 strömt. Man kann die Vorrichtung jedoch ohne weiteres auch in einer im wesentlichen horizontalen Stellung betreiben.
Um bei der Pyrolyse eines strömungsfähigen Kohlenwasserstoffs eine hohe Acetylenausbeute zu bekommen, soll die Abschreckkammer 32 so angeordnet sein, dass das Abschrecken rasch nach vollständiger Durchführung der Pyrolysereaktion stattfindet. Reaktionszeiten von 1 bis 4 Millisekunden sind mit Erfolg verwendet worden.
Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung, die sich zur Pyrolyse von flüssigen
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die Anode 18, die Leitung 36, die Ringkammer 38 und die Leitung 40 mit den nachstehend angegebenen Abweichungen im wesentlichen die vorstehend an Hand der Fig. 1 beschriebene Ausbildung, Anordnung und Funktion. Der Körper 10 ist mit einem Einlass 52 für ein Schutzgas und einer Ringkammer 54 versehen, die über mehrere in der Umfangsrichtung angeordnete Öffnungen 56 mit dem Düsenteil 14 der Bohrung 12 in Verbindung steht. Durch die Öffnung 56 kann in den Düsenteil 14 ein Schutzgas eingeführt werden, damit die Primäranode vor dem Angriff von in dem Hauptlichtbogengasstrom enthaltenen reaktionsfähigen Stoffen, wie Wasserstoff, geschützt wird. Als Schutzgas kann man Gase, wie Argon, Helium und Stickstoff verwenden.
Die Anode 18 ist von der Primäranode 19 durch eine isolierende Ringscheibe 86 elektrisch isoliert. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wirkt die Anode 18 als Sekundär- oder Zündanode, zwischen der und der Kathode ein Zündlichtbogen ausgebildet wird, der den zwischen der Kathode und der Primäranode gebildeten Lichtbogen zu stabilisieren und den Hauptlichtbogen im Fall seines Erlöschens wieder zu zünden trachtet. Die Zündanode 18 ist über den Belastungswiderstand 90 an die Stromquelle 88 angeschlossen, so dass sie sich auf einem niedrigeren Potential als die Primäranode 19 befindet.
Der Reaktorkörper 58 enthält eine langgestreckte Reaktionskammer 60, die axial mit dem von der Düse 14 und der Anode 19 gebildeten Kanal 25 fluchtet. Flüssiger Kohlenwasserstoff tritt über die Eintrittsleitung 62 in die Kammer 60 ein und wird über die Austrittsleitung 64 abgegeben, wobei die Höhe der Kohlenwasserstoffflüssigkeitssäule in der Kammer 60 durch die Anordnung der Leitung 64 bestimmt wird.
Die Vorrichtung nach Fig. 2 ist in erster Linie für den Betrieb in stehender Stellung bestimmt, wobei das Gas aufwärts strömt. Die Geschwindigkeit des Lichtbogengasstromes muss so hoch sein, dass er einen Rückfluss der Flüssigkeit in den Kanal 25 verhindert. Die Bildung des Lichtbogens und die Aufrechterhaltung des Lichtbogengasstromes entsprechen der vorstehend an Hand der Fig. 1 gegebenen Beschreibung. Das Schutzgas wird in dem Wandstabilisierungskanal für den Lichtbogen erhitzt und zylindrisch geformt, weil es ein Teil des Gesamtlichtbogengasstromes wird. Der zylindrisch geformte schnell strömende heisse Gasstrom wird über den Kanal 25 in die in der Reaktionskammer 60 befindliche Kohlenwasserstoffflüssigkeitssäule abgegeben.
Die Pyrolysereaktion erfolgt in dem unteren Teil der Reaktionskammer 60, in dem die Kohlenwasserstoffflüssigkeit durch den heissen Gasstrom erhitzt und gecrackt wird. Die in dem oberen Teil der Kammer 60 befindliche kühlere Kohlenwasserstoffflüssigkeit schreckt die heissen Produkte der Pyrolysereaktion innerhalb weniger Millisekunden nach erfolgter Reaktion ab. Die abgeschreckten
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gasförmigen Reaktionsprodukte treten dann in Richtung des Pfeiles in einen nicht gezeigten Sammler ein. Man kann Mittel zur Rückführung von nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffen von der Austrittsleitung 64 in die Eintrittsleitung 62 und zum Reinigen und Kühlen des Kohlenwasserstoffstroms vorsehen.
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Die Begrenzungsringscheibe 74 trennt den Injektor 65 von dem Abschreckkörper 76 und drückt das Lichtbogengas und den strömungsfähigen Kohlenwasserstoff über einen verengten Kanal 78 in die Abschreckflüssigkeit. Dadurch wird das Mischen des Lichtbogengases und des Kohlenwasserstoffs und das Mischen des austretenden Gasstroms mit der Abschreckflüssigkeit unterstützt. Die Begrenzungsscheibe 74 und der Kanal 78 unterstützen ferner die Erzeugung einer so hohen Geschwindigkeit des austretenden Gasstromes, dass ein Rückfluss der Abschreckflüssigkeit in die Kanäle 66 und 25 verhindert wird. Der mittlere Kanal 78 der Begrenzungsscheibe 74 bildet eine Fortsetzung der durch die Kanäle 25 und 66 gebildeten Leitung, die direkt mit der langgestreckten zylindrischenAbschreckkammer 77 in dem Abschreckorgan 76 in Verbindung steht.
Der Kanal 78 kann eine im wesentlichen konstante kleine Querschnittsfläche haben oder vorzugsweise allmählich zu einer kleineren Querschnittsfläche an der Stelle der Einmündung des Kanals 78 in die Abschreckkammer 77 verjüngt sein. Wasser oder ein anderes Abschreckmedium tritt über die Leitung 80 in die Kammer 77 ein und über die Leitung 82 aus ihr aus.
Die Bildung des Lichtbogens und die Aufrechterhaltung der Lichtbogengas- und Schutzgasströme erfolgt wie vorstehend an Hand der Fig. 2 beschrieben. Der zu pyrolysierende strömungsfähige Kohlen- wasserstoffwird über die Leitung 68 in die Kammer 70 eingeführt und über die Öffnungen 72 in den schnell strömenden Brenner- und Schutzgasstrom eingedüst. Die heissen Reaktionsgase werden abgeschreckt, indem der Gasstrom aufwärts in das in der Kammer 77 befindliche Abschreckmedium gerichtet wird. Die abgeschreckten gasförmigen Reaktionsprodukte treten dann in Richtung des Pfeiles 87 in einen nicht gezeigten Sammler ein.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung können der Körper 10, die Anode 18 und die Anode 19 aus Kupfer oder einem andern elektrisch leitfähigen Material, und kann die Kathode 16 aus einem elektrisch emissionsfähigen Material, wie thoriertem Wolfram, bestehen. Der Reaktorkörper 22, der Injektor 65 und die Begrenzungsscheibe 74 können aus Kupfer oder einem andern Material bestehen, das unter den Verfahrensbedingungen nicht schmilzt oder reagiert. Die die Reaktionskammer 24 bildende Innenwandung des Reaktorkörpers 22 hat vorzugsweise eine Wärmeisolierschicht, die beispielsweise aus einem Material wie Kohlenstoff, Wolfram oder Zirkonoxyd besteht. Diese Schicht soll einen hohen Schmelzpunkt und eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit haben.
Dadurch wird die Acetylenausbeute bzw. der Grad der Umsetzung des zu crackenden Materials in Acetylen verbessert. Ohne dass die Erfindung auf eine bestimmte Theorie hinsichtlich der Wirkungsweise eingeschränkt ist, wird angenommen, dass diese erhöhte Umsetzung auf die Herabsetzung der von der Reaktionskammer über die Reaktorwände abgegebenen Verlustwärme zurückzuführen ist. Der Abschreckkörper 30, der Reaktorkörper 58 und der Abschreckkörper 76 können beispielsweise aus hitzebeständigem Glas oder einem keramischen Baustoff bestehen.
In dem erfindungsgemäss verwendeten Lichtbogenbrenner wird ein beträchtlicher Teil des Brennergases und des Schutzgases infolge der verengten Ausbildung des Strömungskanals durch den wandstabilisierten Lichtbogen gedrückt. Der Wärmeinhalt des Gases kann durch Steuerung der Lichtbogenleistung und/oder der Gasgeschwindigkeit verändert werden. Man kann Gasgeschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit oder darüber verwenden, ohne dass der Lichtbogen ausgeblasen wird, wie es bei den bekannten elektrischen Lichtbogenverfahren zu erwarten wäre.
Offenbar kann das erfindungsgemässe Verfahren mit einer relativ kleinen Vorrichtung durchgeführt werden, weil die höheren Gasgeschwindigkeiten im Vergleich mit den bekannten elektrischen Lichtbogenverfahren einen hohen Gesamtgasdurchsatz gestatten.
Als Lichtbogengas kann jedes Gas verwendet werden, das in der Lichtbogenhitze nicht zu festen Rückständen zersetzt wird und das die Elektroden nicht ernsthaft angreift.
Bei der Erzeugung von Acetylen aus Kohlenwasserstoffen hat es sich als zweckmässig erwiesen, dem Brennergas dissoziierbare Gase, wie Sauerstoff oder Wasserstoff, zuzusetzen, da die in dem Lichtbogen hoher Intensität gebildeten Dissoziationsprodukte, wie atomarer Sauerstoff oder atomarer Wasserstoff, die Acetylenausbeute erhöhen.
Die Beispiele 1-4 erläutern mehrere Ausführungsformen der Erfindung in ihrer Anwendung auf die Erzeugung von Acetylen aus Kohlenwasserstoffen. Die Lineargeschwindigkeit des Effluentengases in den nachstehenden Beispielen lag zwischen etwa 274 und 884 m/sec. Die Strahlungstemperatur des Lichtbogeneffluenten in den nachstehenden Beispielen betrug etwa 50000 K.
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Beispiel 1 : Für diesen Versuch wurde die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung verwendet. Die aus thoriertem Wolfram bestehende Stabelektrode, die Bohrung der als Anode dienenden Brennerdüse und die Wolframeinsätze in der Anodenwand hatten alle einen Durchmesser von 3, 2 mm. Die Reaktionszone hatte einen Durchmesser von 7, 9 mm und eine Länge von 25 mm. Die Abschreckzone hatte einen Durchmesser von 9, 5 mm. Der Brenner wurde mit 93 V Gleichstrom bei negativ gepolter Stabelektrode und einer
Stromstärke von 149 A betrieben, während Wasserstoffgas in einer Menge von 24, 9 Normallitem/min durch den Brenner strömte.
Methangas trat in einer Menge von 29, 2 Normallitern/min in die Reaktionszone ein, wo es mit dem heissen
Wasserstoffgas in Berührung trat.
Die Produktgase wurden durch einen Wasserstrom von 157 l/h abgeschreckt und hatten folgende Analyse (Gaschromatographie).
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<tb>
<tb>
Verbindung <SEP> Vol. <SEP> -% <SEP>
<tb> C, <SEP> H2 <SEP> ......................... <SEP> 13,3
<tb> C2 <SEP> """""""""""""""" <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP>
<tb> CH4 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> H2+Wasserdampf+höhere <SEP> Acetylene
<tb> (Rest) <SEP> 82, <SEP> 1 <SEP>
<tb> 100, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Es wurde errechnet, dass 79% des im Rohmaterial enthaltenen Kohlenstoffs in Kohlenstoffacetylen umgewandelt wurden urd dass 90% des tatsächlich gcerackten Methans in Acetylen umgewandelt wurden.
Beispiel 2: Ein Lichtboger brenner, besteherd aus einer Wolframkathode von 3, 2 mm Durchmesser,
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gekühlten Primärancde mit einer von 6, 4 mm auf 3, 2 mm verjüngten zentralen Austrittsöffnung, wurde als Wärmequelle in einer Versuchsanordnung nach Fig. 2 verwendet. Der Brenner wurde von Argongas in einer Menge von etwa 8 bis 10 l/min durchströmt, während ein Lichtbogen mit Gleichstrom von 30 V und 80 A, bei negativ gepolter Stabelektrode aufrechterhalten wurde. Zum Abschrecken des von dem Lichtbogen erhitzen Argongases trat dieses in der Reaktionskammer in Petroleum ein, das zum T ei 1 im wesentlichen gecrackt und abgeschreckt wurde, wobei sich Acetylen bildete. Das Produktgas wurde von dem Petroleum getrennt. Seine Analyse ergab einen Gehalt von etwa 10 Vol.-% Acetylen.
Beispiel 3 : Für diesen Versuch wurde eine Lichtbogenbrennereinrichtung der in Fig. 3 gezeigten Art verwendet. Die aus Wolfram bestehende Kathode des Brenners hatte einen Durchmesser von 3, 2 mm, die als Zündanode verwendete Brennerdüse einen Durchmesser von 3, 2 mm und die als Primäranode verwendete Düse verjüngte sich von einem Durchmesser von 6, 4 mm auf 3, 2 mm. Die Kohlenwasserstoffzuführungsscheibe hatte einen Innendurchmesser von 6, 4 mm und besass 12 Öffnungen von 0, 33 mm Durchmesser, die in einem Kreis gleichmässig verteilt waren und durch die Propangas in die Crackzone eintrat.
Der Brenner wurde mit Gleichstrom von 49, 3 V und 104 A bei negativ gepolter Stabelektrode betrieben, während Argongas in einer Menge von 3, 9 l/min und Wasserstoff gas in einer Menge von 3, 7 l/min durch den Brenner trat. Zum Schutz der Primäranode wurde über die Schutzgaskanäle zusätzlich Argon in einer Menge von
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Die Beschaffenheit des Endproduktes kann durch Veränderung des Wärmegehaltes des aus dem Brenner austretenden Gases, des eingeführten Kohlenwasserstoffs und der Abschreckgeschwindigkeit beeinflusst werden.
Die vorstehende Beschreibung betraf in erster Linie die Erzeugung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, wie Acetylen. Die Erfindung kann aber auch zur Durchführung anderer chemischer Reaktionen verwendet werden. Die wesentlichen Verfahrensschritte sind : Man lässt ein Gas durch einen wandstabilisierten Lichtbogen hindurchtreten, bringt das dabei erhaltene heisse Effluentengas mit einem Reaktionsmaterial in Berührung und schreckt dann die Produkte ab. Wenn das Brennergas nur als Wärmequelle dient, kann es inert sein, es kann aber auch ein reaktionsfähiges Gas sein und an der chemischen Reaktion teilnehmen.
Die Beispiele 5-7 erläutern die Erzeugung von Wasserstoffperoxyd und Cyanwasserstoff gemäss der Erfindung.
Beispiel 5 : Für diesen Versuch wurde ein Brenner der in Fig. 2 und eine Abschreckeinrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet. Der Brenner wurde mit Gleichstrom von etwa 41 V und 110 A bei negativ gepolter Stabelektrode betrieben, während Argongas mit 3 l/min um die Wolframkathode herum und durch die Brennerdüse heraus strömte. Stromabwärts der Kathode wurde als Schutzgas zusätzlich Argon in einer Menge von 2 l/min und Sauerstoffgas in einer Menge von 1, 21/min eingeführt. Mit dem sauerstoffhaltigen heissen Effluenten des Brenners wurde Abschreckwasser in einer Menge von 0, 9 l/min gemischt.
Die
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Analyse des auch an der Reaktion teilnehmenden Abschreckwassers nach der Reaktion ergab einen Gehalt von 0, 12 Mol Wasserstoffperoxyd pro eingesetztes Mol Sauerstoff.
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:wasserstoff plus Acetylen.
Beispiel7 : Es wurde eine ähnliche Vorrichtung verwendet wie im Beispiel 6. Der Brenner wurde mit 37 V und 170 A betrieben. Gleichzeitig wurde ein Argon-Stickstoff-Gasgemisch mit einem Gehalt von 78 Vol.-% Stickstoff in einer Menge von 21, 2 l/min durch den Lichtbogen und die Brennerdüse in als Abschreckmittel und Reaktionspartner verwendetes Petroleum eingeleitet.
Die Gaschromatographie des Produktgases ergab folgende Analyse :
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<tb>
<tb> Bestandteil <SEP> Vol.-% <SEP>
<tb> HCN............................................ <SEP> 4, <SEP> 42 <SEP>
<tb> C, <SEP> IO'. <SEP> IO................................ <SEP> 0, <SEP> 48 <SEP>
<tb> C2H4.......................... <SEP> IO... <SEP> IO............. <SEP> 3, <SEP> 97 <SEP>
<tb> C2Hg............................................ <SEP> 8, <SEP> 18 <SEP>
<tb> CHs............................................. <SEP> 0, <SEP> 14 <SEP>
<tb> CA............................................ <SEP> 1, <SEP> 09 <SEP>
<tb> Argon, <SEP> Stickstoff <SEP> und <SEP> Wasserstoff................... <SEP> 81, <SEP> 72 <SEP> (Rest)
<tb>
Nach diesem Verfahren ist daher eine zweckmässige Erzeugung von Cyanwasserstoff möglich.
Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Beispielen 8 und 9 erläutert. Die allgemeinen Verfahrenskennwerte der Umwandlung des Reaktionsmaterials in das Produkt und der Leistungsbedarf können beispielsweise durch Vorerhitzung des Reaktionsmaterials verbessert werden. Das gilt insbesondere beim Cracken von Methan zwecks Erzeugung von Acetylen nach dem vorliegenden Verfahren. Die Wirkung der Vorerhitzung ist in dem nachstehenden Beispiel beschrieben.
Beispiel 8 : Es wurde eine ähnliche Vorrichtung wie im Beispiel l verwendet. Der Brenner wurde mit einer Gesamtleistung von 8, 2 kW betrieben, während Wasserstoffgas in einer Menge von etwa 33, 8 l/min durch den Lichtbogen trat und dann mit einem Methanstrom von 38, 8 l/min in Berührung gebracht wurde der auf etwa 450 0 C vorerhitzt worden war. Dann wurden die heissen Produktgase mit einem Wassersprüh-, nebel abgeschreckt. Ihre Analyse ergab einen Acetylengehalt von etwa 11, 0 Vol.-%. Es wurde berechnet, dass etwa 70% des in dem Methan enthaltenen Kohlenstoffs in Kohlenstoff, in Acetylen und etwa 82% des tatsächlich gecrackten Methans in Acetylen umgewandelt worden war.
Der Leistungsbedarf wurde mit 11 kWh pro kg erzeugtes Acetylen errechnet.
Ein unter Verwendung von Methan bei Zimmertemperatur und vergleichbaren Betriebsbedingungen durchgeführter ähnlicher Versuch ergab in dem Produktgas nur 9, 2 Vol.-% Acetylen, eine Umwandlung von 63% Methankohlenstoff in Acetylenkohlenstoff, und eine Umwandlung von 74% des tatsächlich gecrackten Methans in Acetylen, ferner einen Leistungsbedarf von 16, 3 kWh pro kg erzeugtes Acetylen.
In dem nachstehenden Beispiel ist die Verbesserung der Ergebnisse bei Verwendung einer feuerfesten Auskleidung in der Reaktionskammer beschrieben :
Beispiel 9 : Es wurde eine ähnliche Vorrichtung wie in Beispiel 1 beschrieben, wobei jedoch längs der Wand der Reaktionskammer eine 11, 1 mm starke isolierende Auskleidung aus thermoatomarem (thermatomic) Kohlenstoff vorgesehen war. Der Brenner wurde mit einer Gesamtleistung von 8, 5 kW betrieben.
Gleichzeitig wurde Wasserstoff in einer Menge von 29, 4 1/min durch den parallelisierten Lichtbogen geführt und dann mit einem Methanstrom von 40, 5 l/min in Berührung gebracht. Die heissen Produktgase wurden dann durch einen Wassersprühregen abgeschreckt. Es wurde errechnet, dass etwa 83% des Methans in Acetylen umgewandelt worden waren. Der Leistungsbedarf betrug 9, 91 kWh pro kg erzeugtes Acetylen, der Wärmewirkungsgrad (für die Reaktion verfügbare und nicht anderweitig verlorengehende Lichtbogengaswärme) 47%.
Ein unter ähnlichen Arbeitsbedingungen, jedoch ohne Verwendung einer feuerfesten Auskleidung in der Reaktionskammer durchgeführter Versuch ergab eine Umwandlung von nur 71% des Methans in Acetylen, einen Leistungsbedarf von 11 kWh pro kg erzeugtes Acetylen und einen Wärmewirkungsgrad von 42%.
In einer andern bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäss Beispiel 10 besteht der Crackrohstoff aus einem Gemisch von gasförmigem Kohlenwasserstoff und Wasserstoff. Es hat sich gezeigt, dass bei zunehmendem Wasserstoffgehalt die Kohlenstoffbildung abnimmt. Das ist betrieblich wichtig, weil es die Notwendigkeit der Wartung zwecks Beseitigung von den Reaktor verlegenden Kohlenwasserstoffablagerungen und Reinhaltung des Reaktors herabsetzt. Bei einem Crackrohstoff, bestehend aus einem Gemisch von 60 Vol.-% Wasserstoff und 40 Vol.-% Methan, erhält man nur eine geringe Kohlenstoffbildung bei hoher Acetylenausbeute.
Beispiel 10 : Es wurde eine Vorrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet, wobei der Reaktor aus einem 6, 35 cm langen Kohlenstoffrohr von 19 mm Innendurchmesser bestand, das aussen mit thermo- atomarem Kohlenstoff wärmeisoliert war. Die Vorzugsanode wurde von zwei in der Brennerdüsenwand vorgesehenen zylindrischen Einsätzen aus Wolfram gebildet. Wasserstoffgas in einer Menge von 76, 0 Gram-
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mol/h (28, 4 Normalliter/min) durchströmte den Brenner und wurde dabei mit einer elektrischen Leistung von 12, 2 kW erhitzt. Dieser heisse Wasserstoffstrom wurde dann mit einem gemischten Einsatzstrom von 267, 5 Grammol/h (100 Normalliter/min) mit einem Gehalt von 40 Vol.-% Methan und 60 Vol.-%
Wasserstoff in Berührung gebracht.
Dann wurden die Reaktionsgase rasch mit Wasser abgeschreckt.
Das Produktgas enthielt 9, 6 Vol.-% Acetylen. Es wurde errechnet, dass 90, 1% des umgesetzten Methans in
Acetylen umgewandelt wurden.
Die Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Acetylen kann erfindungsgemäss weiter dadurch ver- bessert werden, dass man zum Abschrecken Wasserstoff verwendet. Offenbar verbindet sich der Wasser- stoff mit einem Teil des nicht umgesetzten Kohlenstoffs des eingesetzten Kohlenwasserstoffs unter Bildung von zusätzlichem Acetylen. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist in dem nachstehenden Beispiel beschrieben : Beis pielll : Es wurde eine ähnliche Vorrichtung wie in Beispiel 10 verwendet, wobei jedoch ein eigener
Satz Abschreck-Eintrittslöcher für die Zuführung von als Abschreckmedium verwendetem Wasserstoff vorgesehen war. Diese Löcher waren zwischen den Eintrittsöffnungen für den eingesetzten strömungs- fähigen Kohlenwasserstoff und den Wassersprühdüsen angeordnet.
Der Brenner wurde von Wasserstoffgas in einer Menge von 75, 6 Grammol/h (28, 2 Normalliter/min) durchströmt, das dabei mit einer elektrischen
Leistung von insgesamt 16, 1 kW erhitzt wurde. Dieser heisse Wasserstoffstrom wurde dann mit einem
Methanstrom von 119 Grammol/h (44, 4 Normalliter/min) in Berührung gebracht. Die Reaktionsgase
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umgewandelt wurde. Ein ähnlicher, aber ohne Teilabschreckung mit Wasserstoff durchgeführter Versuch ergab eine Umwandlung des umgesetzten Methans in Acetylen in einem Ausmass von 83%.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur chemischen Umsetzung gasförmiger bzw. flüssiger Stoffe mittels eines Lichtbogens, wobei das umzusetzende Material mit einem wandstabilisierten Lichtbogenplasmastrahl hoher Wärme- intensität zusammengebracht wird, welcher dadurch erzeugt wird, dass ein Lichtbogen zwischen einer in einer Düse angeordneten nicht verschmelzenden Stabelektrode und einem als zweite Elektrode dienenden
Wandungsteil der Düse gebildet und durch einen den Lichtbogen einschnürenden Auslass der Düse mittels eines durch die Düse fliessenden Gasstroms getrieben wird, wodurch das Lichtbogen-Gas-Gemisch als einheitlicher Plasmastrahl die Düse verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das umzusetzende Material mit dem Plasmastrahl stromabwärts von dem als Elektrode dienenden Düsenwandteil zusammengebracht wird.