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Verfahren zur thermischen Behandlung von Kohlenwasserstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von weniger gesättigten Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Azetylen und/oder Äthylen oder anderer Olefine, durch Vermischen des der Pyrolyse zu unterziehenden Kohlenwasserstoffes mit heissen Gasen, die durch Verbrennung eines Brenngases mit einem die Verbrennung unterstützenden Gas in einer vor der Pyrolysezone angeordneten Verbrennungszone unter Bildung einer wärmeerzeugenden, geregelten Flamme erzeugt werden.
Es ist bekannt, dass die Pyrolyse von Materialen wie Schwerbenzin zu ungesättigten, gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie Acetylen oder Gemischen von Acetylen und Äthylen dadurch bewirkt werden kann, dass der zu pyrolysierende Kohlenwasserstoff in einen Pyrolysereaktor eingeführt wird, in dem beispielsweise durch Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffs mit Luft oder Sauerstoff eine auf hoher Temperatur befindliche Flammenfront aufrechterhalten wird. Infolge der in der Reaktionskammer erwünschten hohen Pyrolysetemperatur können Bedingungen, die zu einem hohen Wirkungsgrad führen, nur bei entsprechender Berücksichtigung der Anordnungen und Bedingungen des Mischens und Einleitens und der Verbrennung des Brennstoffgases und des die Verbrennung unterstützenden Gases zur Erzielung der gewünschten Pyrolysetemperatur hergestellt werden.
Beispielsweise kann bei genügend hohen Pyrolysetemperaturen Acetylen fast momentan durch die thermische Zersetzung von Schwerbenzin erzeugt werden. Dieses Acetylen kann aber rasch verbraucht und/oder zu unbrauchbaren kohlenstoffhaltigen Produkten pyrolysiert werden, wenn die pyrolysierende Flamme nicht trotz ihrer Intensität auf einen sehr kleinen Raum beschränkt wird. Ein optimaler Wirkungsgrad erfordert ferner eine relativ konstante, stabile Flammenfront in dem Pyrolysereaktor, daher muss zum Vermischen des Brennstoffes und des die Verbrennung unterstützenden Gases ein geeigneter Brenner oder Verteiler verwendet werden.
Dies gilt besonders für jene Pyrolysereaktionen, in denen das gewünschte Endprodukt durch die thermische Zersetzung eines andern Kohlenwasserstoffs als des wärmeerzeugenden Brennstoffes gebildet wird, weil der als Reaktionspartner verwendete Kohlenwasserstoff nicht verbraucht, sondern durch die Hitze der Reaktionsflamme zersetzt werden soll und die dabei erhaltenen Produkte in relativ kurzer Zeit an der Stelle der höchsten Konzentration der gewünschten ungesättigeten Kohlenwasserstoffe in den gasförmigen Produkten der Pyrolyse- oder Verbrennungsreaktion abgeschreckt werden soll.
Es kann sich ferner zeigen, dass die gewünschte hohe Temperatur oder Intensität der Flamme auf die feuerfeste Auskleidung der Wände der Brennkammer bzw. des Reaktors eine zerstörende Wirkung haben kann, besonders wenn das Brenngas und das die Verbrennung unterstützende Gas so gemischt werden, dass die wärmeerzeugende Flamme auf der feuerfesten Wandung des Reaktors auftrift. Wenn das Brenngas und das die Verbrennung unterstützende Gas getrennt voneinander in die Pyrolysereaktionskammer eingeleitet und dort gemischt werden, erhält man einen maximalen Wärmewirkungsgrad und/oder einen maximalen Reaktionswirkungsgrad nur bei sorgfältiger Steuerung und Einstellung der Mengen der eingeführten Gase beispielsweise in bezug auf die verschiedenen Bewegungsgrössen derselben,
die mit dem stöchiometrischen oder Verbrennungsverhältnis der Gase in einer Beziehung stehen. Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades kann es daher erforderlich sein, die Mengen, in denen die Gase eingeführt werden, fortlaufend zu regeln und/oder sogar in der Vorrichtung befindliche Verteiler- oder Brennerdüsen durch solche einer andern Grösse zu ersetzen, wenn infolge kommerzieller Umstände oder aus andern Gründen ein anderes Brenngas verwendet wird und/oder andere Strömungsbedingungen erwünscht sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von weniger gesättigten Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Azetylen und/oder Äthylen oder anderer Olefine, durch Vermischen des der Pyrolyse zu unterziehenden Kohlenwasserstoffes mit heissen Gasen, die durch Verbrennung eines Brenngases mit einem die Verbrennung unterstützenden Gas in einer vor der Pyrolysezone angeordneten Verbrennungszone unter Bildung einer wärmeerzeugenden, geregelten Flamme erzeugt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Brenngas und das die Verbrennung unterstützende Gas in getrennten Strömen in dieVerbrennungszone eingeleitet und dort gemischt
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werden,
wobei der eine dieser Gasströme im wesentlichen parallel zur Achse der Verbrennungszone eingeleitet wird und der andere Gasstrom derart in die Verbrennungszone eingeleitet wird, und dass er auf dem axial gerichteten Gasstrom unter einem Winkel von etwa 10 bis 60'auftrifft, wodurch die wärmeerzeugende Flamme im wesentlichen an der Stelle aufrechterhalten wird, an der die beiden Gasströme aufeinandertreffen und dass gegebenenfalls in die Brennkammer Dampf eingeleitet wird, der einen die Flamme umgebenden, axial gerichteten Vorhang bildet.
Die Pyrolysereaktion wird vor allem dadurch gefördert, dass eine ziemlich kurze oder zusammen- gedrückte, aber stabile Flamme innerhalb eines minimalen Volumens in der Brennkammer oder dem Reaktor gebildet wird, ohne dass die wärmeerzeugende Flamme direkt oder in nachteiliger Weise auf der feuerfesten Auskleidung des Reaktors auftrifft.
An Hand der Zeichnungen soll das erfindungsgemässe Verfahren und seine Vorteile näher erläutert werden.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 in einem vertikalen oder axialen Schnitt eine zur Durchführung der Erfindung geeignete Reaktionsvorrichtung für die Kohlenwasserstoffpyrolyse. Fig. 2 zeigt die Vorrichtung in einem Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1. Fig. 3 zeigt in einem vertikalen oder axialen Schnitt einen Teil einer zur Durchführung der Erfindung geeigneten Pyrolysereaktionsvorrichtung. Fig. 4 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 3 in einem Querschnitt nach der Linie IV-IV.
In der Zeichnung sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnet. Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemässe Pyrolysereaktionsvorrichtung, in der die Pyrolyseflamme in einer Brennkammer dadurch erzeugt wird, dass das Brenngas und das die Verbrennung unterstützende Gas in getrennten Strömen eingeleitet werden, wobei der Strom des einen dieser Gase im wesentlichen axial oder parallel zu der Achse der Vorrichtung gerichtet ist und das andere Gas so eingeleitet wird, dass es auf dem ersten Gasstrom in der Brennkammer unter einem Winkel von etwa 10 bis 600 auftrifft, sodass die gewünschte axial relativ kurze, wärmeerzeugende Flamme von erhöhter Stabilität gebildet wird, u. zw.
an einer bestimmten oder an mehreren Stellen, die von den feuerfesten Wandungen der Brennkammer oder deren oberem Verteiler- oder Mischende, durch das die Gase eingeleitet werden, soweit entfernt oder isoliert sind, dass ein direktes Auftreffen der Flamme auf diesen Wandungen nicht möglich ist.
Beispielsweise ist nach Fig. 1 in der Vorrichtung eine Brennkammer 10 von einer feuerfesten Auskleidung 11 umschlossen und am oberen Ende von einem Brennerkörper 12 geschlossen, der durch Umwälzung eines Kühlmittels durch den Kanal 13 gekühlt wird. Die Umwälzung des Kühlmittels ist durch den Einlass 14 und den Austritt 15 angedeutet. Zur Einleitung von Sauerstoff oder von Luft oder einem andern die Verbrennung unterstützenden Gas durch den Brennerkörper 12 in die Brennkammer 10 ist eine Düse 20 vorgesehen.
Gemäss Fig. 1 und 2 ist die Düse 20 von mehreren, im Abstand von ihr angeordneten Düsen oder Rohren 21 umgeben, welche den Brennerkörper 12 durchsetzen und deren untere oder innere Teile 22 schräg radial einwärts gerichtet sind, so dass die von den inneren Teilen 22 der Düsen 21 abgegebenen Brenngasströme auf dem durch die Düse 20 in die Brennkammer 10 eintretenden Strom des die Verbrennung unterstützenden Gases unter einem Winkel von etwa 10 bis 600 auftreffen und mit ihm vermischt werden.
Auf diese Weise wird etwa bei 25 im Abstand von dem Brenner 12 und den Umfangswänden 11 der Brennkammer 10 eine Flamme erzeugt. Es versteht sich natürlich, dass man einwandfreie Ergebnisse auch erzielen kann, wenn man an Stelle mehrerer einzelner Brenngaskanäle oder -düsen 21-22 einen ununterbrochenen Ringschlitz vorsieht, der unter dem gewünschten Winkel geneigt ist.
Ferner sind vorzugsweise mehrere Düsen oder ist ein Ringschlitz 26 vorgesehen, um in der Brennkammer 10 zwischen der Flamme 25 und der Innenseite der feuerfesten Wandungen 11 einen die Flamme im wesentlichen umgebenden, ununterbrochenen Dampfmantel zu erzeugen, der die Flamme begrenzt, wenn sich die von der Flamme 25 kommenden heissen Verbrennungsgase und der von dem Schlitz 26 kommende Dampf vereinigen und in die verengte Mischkammer 27 eintreten, um dort dem zu pyrolysierenden Kohlenwasserstoff beigemischt zu werden.
Der zu pyrolysierende Kohlenwasserstoff wird bei 30 in einen Ringverteiler 31 eingeführt und von dort durch mehrere Düsen (oder einen ununterbrochenen Ringschlitz) 32 in die Mischkammer 27eingeleitet. Der Ringverteiler 31 und die Zuführungs öffnungen 32 sind vorzugsweise gekühlt, beispielsweise durch Umwälzung von Wasser oder einem andern Kühlmittel durch einen bei 33 angedeuteten Mantel, der mit einem Einlass 34 und einem Austritt 35 versehen ist. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird ferner der zu pyrolysierende Kohlenwasserstoff vorerhitzt, ehe er mit hoher Geschwindigkeit durch den Verteiler 31 und die Öffnungen 32 eingeleitet wird.
Nach Beimischung des Dampfes und der heissen Verbrennungsgase aus der Brennkammer 10 in der Mischkammer 27, gelangt der zu pyrolysierende Kohlenwasserstoff in die Reaktionskammer 40, in der er durch die heissen Verbrennungsgase thermisch zersetzt wird. Vorzugsweise sind die Innenwände 41 der Reaktionskammer 40 gekühlt und/oder mit einem im wesentlichen ununterbrochenen Film aus Wasser überzogen, so dass eine sich bewegende Wasserwand gebildet wird, die eine Ablagerung oder Ansammlung von kohlenwasserstoffhaltigen Reaktionsprodukten vermeidet. Wie dargestellt wird eine derartige sich bewegende Flüssigkeitswand dadurch geschaffen, dass Wasser durch den Wassereinlass 42 einem Ringbecken 43 zugeführt wird, aus dem es durch den Ringschlitz über den oberen Rand der Wände 40 tritt.
Wenn der zu pyrolysierende Kohlenwasserstoff, dem die in der Brennkammer 10 gebildeten heissen Ver-
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es fand auch keine erkennbare Ablagerung oder Ansammlung von kohlenstoffhaltigem Material auf den Innenwänden der Reaktionskammer 40 statt.
Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass sowohl das Brenngas als auch das die Verbrennung unterstützende Gas erfindungsgemäss durch die axial gerichteten oder durch die schrägen Düsen eingeleitet werden können. Die erfindungsgemäss erzielten verbesserten Ergebnisse sind in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die getrennten Gasströme unter einem Winkel aufeinander auftreffen und dass wenigstens einer der getrennten Gasströme im wesentlichen in der Axialrichtung der Brennkammer strömt, so dass trotz einer hohen Einleitungsgeschwindigkeit des im wesentlichen axial gerichteten Gases eine stabile Flamme von kurzer axialer Länge gebildet und aufrechterhalten wird.
Erfindungsgemäss wurden einwandfreie Ergebnisse erzielt, wenn die Geschwindigkeit der beiden Gasströme an der Austrittsöffnung der Düsen in einem Bereich von 10 bis 200 m/sec gehalten wurde. Innerhalb dieses Bereiches wird der erfindungsgemäss erzielte verbesserte Wirkungsgrad anscheinend auch durch grosse Schwankungen nicht beeinträchtigt.
In Anbetracht derartiger Strömungsgeschwindigkeiten der durch die axial gerichteten Düsen 20 oder 60 oder die sie umgebenden schrägen Düsen 22 oder 62 eingeleiteten Gase wird natürlich an der Stelle der Vermischung oder des Zusammentreffens der Gasströme eine ziemlich stabile Flamme hoher Intensität aufrechterhalten, insbesondere wenn die schrägen Düsen 22 oder 62 in gleichmässigen Abständen um die Achse der axial gerichteten Düsen 20 oder 60 herum angeordnet sind, so dass jede der Flammen 25 oder 65 im wesentlichen axial gerichtet ist. Auf diese Weise werden ein maximaler Wirkungsgrad und eine maximale Intensität der Wärmeerzeugung erzielt und eine Beschädigung der feuerfesten Auskleidung weitestgehend vermieden.
Bei dieser Anordnung mehrerer getrennter schräger Gasströme, die einen primären Gasstrom in einer
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nimmt die zulässige Differenz zwischen den Bewegungsgrössen der Ströme des Brennstoffgases und des die Verbrennung unterstützenden Gases beträchtlich zu, selbst wenn sie so eingestellt sind, dass eine wünschenswert stabile und kurze oder zusammengedrückte Flamme aufrechterhalten wird, und es erfolgt im wesentlichen keine Störung oder Schrägstellung der Flamme, selbst wenn sich die Bewegungsgrösse des einen Gases von der des andern beträchtlich unterscheiden.
Zu den erfindungsgemäss erzielbaren Vorteilen gehört daher auch, dass die Abänderung oder der Austausch von Brennern 12 oder 57 (bzw. die Abänderung oder der Austausch der darin in diesen Brennern vorgesehenen Düsen und ihrer Anordnung) auch dann nicht erforderlich ist, wenn das Verhältnis zwischen dem Brenngas und dem die Verbrennung unterstützenden Gas oder das Volumen des Brenngases oder des die Verbrennung unterstützenden Gases oder die Art des Brenngases oder des die Verbrennung unterstützenden Gases fallweise verändert wird, so dass mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung derartige im Betrieb normalerweise vorkommenden Veränderungen sogar in ein und derselben Vorrichtung vorgenommen werden können und dabei trotzdem ein Wirkungsgrad erzielt wird, der besser ist als beispielsweise bei andern speziellen Brennertypen,
in denen die Grösse oder die Düsenöffnungen oder die Strömungsmengen grundlegend geändert werden müssen, wenn mit verschiedenen Brennstoffen oder verschiedenen Arbeitsbedingungen gearbeitet werden soll. Die hier vorgesehenen Anordnungen bewirken ferner eine Erzeugung und Aufrechterhaltung von Flammen in einem gewissen Abstand sowohl von der Stirnfläche der Brennerkörper 12 oder 57 als auch von der Innenwandung der Brennerkammer 10 oder 55, so dass deren Lebensdauer erhöht und deren durch Wärmewirkung hervorgerufene Beschädigung herabgesetzt wird.
Die Erfindung wurde vorstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben und dargestellt, doch liegen Abänderungen im Rahmen des Erfindungsgedankens im Bereich fachmännischer Massnahmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von weniger gesättigten Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Azetylen und/oder Äthylen oder anderer Olefine, durch Vermischen des der Pyrolyse zu unterziehenden Kohlenwasserstoffes mit heissen Gasen, die durch Verbrennung eines Brenngases mit einem die Verbrennung unterstützenden Gas in einer vor der Pyrolysezone angeordneten Verbrennungszone unter Bildung einer wärmeerzeugenden, geregelten Flamme erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas und das die Verbrennung unterstützende Gas in getrennten Strömen in die Verbrennungszone eingeleitet und dort gemischt werden, wobei der eine dieser Gasströme im wesentlichen parallel zur Achse der Verbrennungszone eingeleitet wird und der andere Gasstrom derart in die Verbrennungszone eingeleitet wird,
und dass er auf dem axial gerichteten Gasstrom unter einem Winkel von etwa 10 bis 600 auftrifft, wodurch die wärmeerzeugende Flamme im wesentlichen an der Stelle aufrechterhalten wird, an der die beiden Gasströme aufeinandertreffen und dass gegebenenfalls in die Brennkammer Dampf eingeleitet wird, der einen die Flamme umgebenden, axial gerichteten Vorhang bildet.