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Verfahren und Ofen zur Herstellung von Acetylen durch partielle
Verbrennung von Methan
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ofenkonstruktion zur pyrolytischen Herstel- lung von Acetylen durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan oder von andern methanreichen Kohlenwasserstoffen.
Ein derartiges Kracken durch partielle Verbrennung erfordert separates Vorerhitzen des Methans oder eines andern Kohlenwasserstoffes und des Sauerstoffes, dann Mischen derselben und Entzünden der Mi- schung um Flammen zu erhalten. Um maximale Ausbeuten bei der Umwandlung von Kohlenwasserstoff zu Acetylen zu erhalten, muss die Flamme bei Anwesenheit einer Konstruktion entzündet werden, welche eine wirkliche Trennung der Mischkammer von der Brennkammer des Ofens gewährleistet. Dieser die Abtrennung bewirkende Bauteil, welcher aus einem Block oder einer Platte besteht und gewöhnlich Gasverteiler genannt wird, sollte auch eine gute Verbrennung der Kohlenwasserstoff-Sauerstoff-Mischung erlauben.
Eine gute Verbrennung zum Zweck der Acetylenerzeugung wird erreicht, wenn die Entzündung an allen Punkten der längs und durch den Trennblock strömenden Mischung gleichzeitig erfolgt. Da die Mischung in dem Augenblick in dem sie in den Block eintritt, noch nicht gute Flammenbildungseigenschaften besitzt, dient der Block auch dazu, die Mischung dazu zu bringen, dass sie alle diese Erfordernisse erfüllt, indem er sie an allen Punkten und zur gleichen Zeit homogenisiert. Die meisten Trennblöcke oder Platten, die bisher in Gebrauch sind, bestehen aus zahlreichen parallelen Röhren oder Kanälen, durch welche die Mischung von der Mischkammer nach unten in die Verbrennungskammer mit einer Geschwindigkeit strömt, die grösser ist als die der Flamme, die nach rückwärts von der Verbrennungskammer in die Mischkammer fortschreitet.
Wenn die Kohlenwasserstoff-Sauerstoff-Mischung die Trennplatte oder den Trennblock nach unten strömend verlässt, stösst sie auf bereits verbrannte Gase, welche im Begriff sind, sich nach oben zu bewegen. Dadurch wird die Temperatur der Mischung erhöht und die Mischung, wenn sie am Eingang der Verbrennungskammer anlangt, entzündet.
Zur Begünstigung der Entzündung der Mischung am unteren Ende des Trennblockes werden öfter Hilfsdüsen zum Einblasen einer zusätzlichen Menge Sauerstoff vorgesehen. Die durch die Entzündung an der Eintrittsstelle des zusätzlichen Sauerstoffes entwickelte Wärme erhöht die Temperatur der brennbaren Mischung in der Nähe der Sauerstoffzufuhr und stabilisiert auf diese Weise die Verbrennung in der Ofenzone unter dem Block. Im allgemeinen ist die Wirksamkeit des Trennblockes um so grösser, je gleichmässiger die zusätzliche Sauerstoffmenge eingeblasen wird und je stärker die Wirbelbewegungen innerhalb der Gasmischung, die verbrennen soll, sind.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung, die derartige Acetylen-Herstellungsverfahren und Vorrichtungen betrifft, ist die Stabilität der Verbrennung weiter zu erhöhen, so dass die Verlässlichkeit der Pyrolyseoperation und auch die Acetylenausbeute verbessert wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zunächst ein Verfahren zur Herstellung von Acetylen durch partielle Verbrennung von Methan oder andern gasförmigen Kohlenwasserstoffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Mischung aus der Mischkammer in die Reaktionskammer durch eine Verteilervorrichtung geleitet wird, welche im Gasstrom einen von einer Kühlflüssigkeit
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durchströmten Hohlkörper aufweist, dessen mit dem Gas in Berührung stehende Oberfläche auf einer Tem- peratur gehalten wird, die mindestens um 100 C tiefer liegt als die Temperatur der vorbeiströmenden zu krackenden Gasmischung.
Weiterhin bezieht sich die, Erfindung auf einen Ofen, der aus einer Mischzone, einer Verbrennungs- kammer und einer dazwischen angeordneten Verteilervorrichtung besteht und welcher dadurch gekenn- zeichnet ist, dass diese Verteilervorrichtung aus mindestens einer Leitungskonstruktion besteht, welche in ihrem mittleren Teil einen grösseren Durchmesser als an den Endteilen aufweist, und in diesem mittleren
Teil einen zentrisch montierten hohlen Drosselkörper enthält, der aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und dessen Innenraum mit Leitungen in Verbindung steht, welche das Durchleiten eines Kühlmittels ermöglichen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Ofen so ausgebildet sein, dass die besagten Endteile der Leitungskonstruktion zwei koaxial ausgerichtete rohrförmige, an die Mischzone bzw. an die
Verbrennungszone angrenzende Teile sind, dass besagter mittlerer Teil der Leitungskonstruktion knollig erweitert ist und dass besagter hohler Drosselkörper ein runder koaxialer Metallkörper ist. Weiterhin können an dem Endteil der Leitungskonstruktion, der der Verbrennungskammer benachbart ist, ringsherum Einmündungsleitungen für die Zuleitung von zusätzlichem Sauerstoff vorgesehen sein und, wenn möglich, auch im unteren Teil des hohlen Metallkörpers solche Einmündungsleitungen angeordnet werden.
Die Verbrennungskammer kann schliesslich mit einem Kühlmantel umgeben sein, der durch Leitungen mit dem hohlen Drosselkörper verbunden ist, so dass das Kühlmittel nacheinander durch Kühlmantel und Drosselkörper durchgeleitet werden kann.
Diese und noch speziellere Merkmale, sowie Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung, die insbesondere in den nachfolgenden Patentansprüchen hervorgehoben werden, werden im folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform des Ofens gemäss der Erfindung näher erläutert.
Fig. l zeigt eine der Verteilervorrichtungen gemäss der Erfindung im Vertikalschnitt. Fig. 2 stellt einen Querschnitt der gleichen Vorrichtung längs der Linie II-II in Fig. l dar und Fig. 3 zeigt im Vertikalschnitt schematisch einen Acetylenofen, der mit Verteilungsvorrichtungen gemäss den Fig. l und 2 ausgestattet ist.
Die dargestellte Verteilervorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Leitungskonstruktion 11, welche, wenn sie in den Ofen eingebaut ist, eine vertikale Achse aufweist. Die vorerhitzte Gasmischung kommt von oben durch den Einlassteil 12 der Leitung und gelangt durch den Auslassteil 14 in die Reaktionskammer des Ofens. Der mittlere Teil 13, der sich koaxial zwischen den Ein- und Auslassteilen 12 und 14 befindet, hat einen grösseren Querschnitt und im allgemeinen eine knollige Form. In diesen weiten, mittleren Teil 13 der Leitungskonstruktion ist ein im allgemeinen kugel- oder knollenförmiger Drosselkörper 15 zentrisch eingesetzt.
Die Leitungskonstruktion 11 weist am Auslass 14 einen Durchmesser Do auf, der grösste Durchmesser
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Die zentrale Drossel 15 wird durch zwei oder mehrere radiale Leitungen 16 und 17, die mit den Wänden der Hauptleitung 11 fest verbunden sind, an Ort und Stelle gehalten. Während des Betriebes wird eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, durch die Einlassöffnung 18 der Leitung 16 und die Auslassöffnung 19 der Leitung 17 durchgeleitet ; die Fliessrichtung ist durch die Pfeile A und. B angedeutet.
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Der untere Auslassteil 14 der Leitungskonstruktion 11 ist von einer Ringleitung 20, welche eine Zuführungsleitung 21 für die Zufuhr von zusätzlichem Sauerstoff aufweist, umgeben. Die ringförmige Leitung 20 ist mit radialen Mündungsröhren ausgestattet. Diese sind am Umfang um den Leitungsteil 14 herum verteilt und stehen mit dem Inneren desselben über Tüllenöffnungen 22 in Verbindung, so dass zusätzlicher Sauerstoff in die Gasmischung eingeblasen werden kann, um die Gasmischung an dieser Stelle auch verlässlich zu entzünden. Es ist auch möglich und in manchen Fällen auch ratsam, wenn Do gross genug
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Die Anordnung einer oder mehrerer Verteilervorrichtungen, wie in Fig. l dargestellt, in bezug auf die Reaktionskammer und die Leitung für die Zufuhr der zu krackenden Mischung, geht aus Fig. 3 hervor.
Die Mischkammer bzw. ihr Leitungsteil, der in die Verteilerzone des Ofens führt, ist mit 31 bezeichnet.
Die Mischung der vorerhitzten Gase wird durch die Einlassöffnung 32 in der Richtung, die durch den Pfeil D angedeutet ist, herangeführt. Die Mischerleitung 31 ist von der Reaktionskammer 36 durch drei horizon- tale Unterteilungswände 33,34 und 35 getrennt. Die Reaktionskammer 36 selbst ist von einem Kühlman- tel 37 umgeben, durch welchen eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, strömt. Die Kühlflüssigkeit wird durch eine Einlassöffnung 38 eingeführt und strömt durch den Raum zwischen den Unterteilungswän- den 34 und 35 und durch das Innere der Drosselkörper 15 der Verteilvorrichtungen, von dort gelangt sie in den Raum zwischen den Unterteilungswänden 33 und 34 und verlässt den Ofen durch eine Auslassleitung 39.
Die Fliessrichtung des Kühlmittels ist im allgemeinen durch die Pfeile E und F und die Fliessrichtung des
Kühlmittels durch die dargestellten Verteilervorrichtungen ist durch A, B undA , B, angegeben. Das oben beschriebene Einlassrohr 21 für die Zufuhr von zusätzlichem Sauerstoff zu jeder Verteilereinheit ist mit einem ringförmigen Verteilerrohr 23 verbunden, welch letzteres selbst den Sauerstoff durch eine oder mehrere Zufuhrrohre 25 zugeführt erhält.
DerDrosselköprer 15 und die Leitungskonstruktion 11 für die Zufuhr der Gasmischung sowie die Wän- de der Reaktionskammer 36 bestehen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, zur wirksamen Kühlung durch Durchströmen eines flüssigen Kühlmittels, wie dies oben beschrieben worden ist.
Die Temperatur dieser Stahlblechteile soll während des Betriebes des Ofens 3000C vorzugsweise nicht überschreiten, weil für die Aufrechterhaltung der gewünschten Form der Flamme, die durch die wirbelnde Bewegung, welche durch die knollige Form des Leitungsteiles 13 und des Drosselkörpers 15 hervorgeru- fen wird, die dünnen Strömungsschichten des über die Oberfläche der Vorrichtung gleitenden Gases kälter sein müssen als der Rest der zu krackenden Mischung und die Temperatur dieser Mischung im allgemeinen höher als 400 C ist. Das heisst, es soll zwischen der Oberfläche des Körpers 15 und der angrenzenden Schicht der gasförmigen Mischung eine Temperaturdifferenz von wenigstens zirka 1000e aufrechterhaI - ten werden.
Diese besondere Vorsichtsmassnahme ermöglicht es, die Wirbelbewegung, die der Gasmischung zuerst erteilt wurde, zu erhalten, weil die Linien oder Fäden des längs der Oberfläche der Verteilervorrichtung gleitenden Gasstromes die Entzündungstemperatur, verglichen mit dem übrigen Teil des Gases, mit einer geringen Verzögerung erreichen und daher die für die Aufrechterhaltung der Turbulenz der Flamme notwendige kinetische Energie beibehalten. Der drosselnde und abschirmende Hohlkörper in den Vorrichtungen gemäss der Erfindung stabilisiert nicht nur die Wirbelbewegung der zu krackenden Mischung und begünstigt damit eine gute Verbrennung, sondern verhindert auch die Hitzestrahlung aus der Verbrennungskammer 36 in die Mischzone.
Dadurch wird eine der Ursachen der vorzeitigen Reaktion, die durch die katalytische Aktivität der leuchtenden Strahlung der Flamme bei den bekannten Vorrichtungen ausgelöst werden kann, ausgeschaltet.
Die guten Ergebnisse, die durch die Erfindung erzielbar sind, werden durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel l : Es wurde ein Ofen benützt, welcher ursprünglich mit einem üblichen feuerfesten Ver- teilungsblockoder einer Verteilungsplatte ausgestattet war, der eine geschätzte Kapazität von 2000 Nm'/h Erdgas, welches 98% CH4 enthält, aufweist und der mit einem Druck von 2 at (absolut) arbeitet. Die übliche feuerfeste Verteilerplatte wurde durch eine Vorrichtung gemäss der Erfindung, wie oben beschrieben, ersetzt. Die Vorrichtung wurde durch einen Wasserkreislauf gekühlt, um die Temperatur der Abschirmoberfläche auf 160 C zu halten. Es wurde nur eine einzige Verteilervorrichtung mit einem Durchmesser Do von 100 mm benützt.
Als Ergebnis wurde, im Vergleich zu der Ausbeute bevor die Vorrichtung gemäss der Erfindung eingebaut worden war, eine um 5% höhere Ausbeute an Acetylen erhalten ; sämtliche andern Arbeitsbedingungen (Sauerstoff-Strömungsgeschwindigkeit, Methan-Strömungsgeschwindigkeit, Vorerhitzungstemperatur, Kühlwasser-Strömungsgeschwindigkeit usw.) waren die gleichen.
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Beispiel 2 : Es wurde ein Ofen verwendet, welcher ursprünglich eine übliche feuerfeste Brennerplatte aufwies und eine geschätzte Kapazität von 4000 Nm/h Erdgas, mit einem Methangehalt von 98%,
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parallel benützt. Jede Vorrichtung hatte einen Durchmesser D von 30 mm. Es ergab sich eine um 6'% höhere Ausbeute an Acetylen, verglichen mit jener, welche erhalten wurde, bevor die erfindungsgemässe
Vorrichtung eingebaut worden war ; sämtliche andern Arbeitsbedingungen (Sauerstoff-Strömungsgeschwindigkeit, Methan-Strömungsgeschwindigkeit, Vorerhitzungstemperatur, Kühlwasser- Strömungsgeschwin- digkeit, usw.) blieben unverändert.
Für den Sachverständigen ist es nach dem Studium dieser Offenbarungen klar, dass die vorliegende Erfindung verschiedene Abänderungen bezüglich Konstruktion und Form der Verteilereinheiten zulässt und dass daher auch andere Ausführungsformen, die von der hier speziell dargestellten und beschriebenen verschieden sind, gewählt werden können, ohne dass dabei vom Rahmen und den wesentlichen Merkmalen der Erfindung die in den folgenden Patentansprüchen hervorgehoben werden, abgewichen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Acetylen durch partielle Verbrennung von Methan oder andern gasförmigen Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-Mischung aus der Mischkammer in die Reaktionskammer durch eine Verteilervorrichtung geleitet wird, welche im Gasstrom einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Hohlkörper aufweist, dessen mit dem Gas in Berührung stehende Oberfläche auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens um 1000C tiefer liegt als die Temperatur der vorbeiströmenden zu krackenden Gasmischung.