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Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit
Hilfe des elektrischen Lichtbogens
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einer Schraubenlinie bis zum oberen Rande des Reaktionsraumes 22, dessen Innendurchmesser grösser ist als der der Austrittsöffnung der Lichtbogenbrennkammer 4. Der Kohlenwasserstoffstrahl wird daher an dieser Stelle im wesentlichen um 1800 umgelenkt und strömt dann, mit dem aus der Lichtbogenbrennkammer 4 austretenden heissen Wasserstoffstrahl vermischt, aus Symmetriegründen in der Längsachse des Re- aktionsraumes 22 nach unten. Da sich der lichte Querschnitt des Reaktionsraumes 22 nach unten verjüngt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches zu.
Die Reaktion zwischen dem heissen Wasserstoff und dem Ausgangs-Kohlenwasserstoff setzt beim Zusammentreffen der beiden Gasstrahlen ein, dauert während des Strömens des Reaktionsgemisches in der
Längsachse des Reaktionsraumes 22 an und wird in dem auf den Reaktionsraum 22 folgenden Nachreaktionsraum 24 zu Ende geführt.
Der Reaktionsraum 22 kann aus einer hitze-und zunderfesten Eisenlegierung gefertigt sein, da die Wandtemperaturen im Betrieb nur wenige hundert Grad Celsius über der Temperatur des eintretenden Ausgangs-Kohlenwasserstoffes liegen. Auch die Verwendung von Graphit hat sich an dieser Stelle bewährt, sofern Schutz gegen den Zutritt von Aussenluft geschaffen wird und auch die hocherhitzten Dämpfe und Gase im Inneren weder freien noch gebundenen Sauerstoff enthalten.
Der Nachreaktionsraum 24 besteht zweckmässig aus einem Graphitrohr 29, das mit einer wärmedäm- menden Schicht 25 umgeben und mit dieser zusammen in dem metallenen Schutzmantel 26 untergebracht ist. Dem Luftsauerstoff wird dadurch der Zutritt zu dem betriebsmässig heissen Graphitrohr verwehrt.
Unterhalb des Ausgangs des Nachreaktionsraumes 24 ist eine Einrichtung zum Abschrecken der austretenden heissen Reaktionsprodukte angebracht. Sie besteht im einfachsten Falle aus einer Sprühdüsenanordnung 27 mit Kühlmittelzuleitung 28.
In Fig. 2 ist eine Lichtbogenbrennkammer für Gleichstrombetrieb schematisch im Längsschnitt dargestellt, die ebenfails mit der vorstehend beschriebenen, aus Reaktionsraum und Nachreaktionsraum bestehenden Einrichtung zusammen verwendet werden kann. Die Anode ist mit 31, die Kathode mit 32 bezeichnet. Für die Halterung der Elektroden und filr die Stromzuführung ist hier eine andere Ausführungsform als in Fig. 1 gewählt. Über jede der beiden Elektroden ist in Fig. 2 eine unten mit Längsschlitzen versehene und daher federnd anliegende innere Hülse 33 geschoben, an der auch die Stromzuführung mit Hilfe der Anschlussfahnen erfolgt. Über diese innere Hülse ist die äussere Hülse 34 geschraubt, die ihrerseits wieder in dem Nippel 41 befestigt ist, der in der Halterung aus Isolierstoff 42 und 43 sitzt.
Die innere Hülse 33 ist mit Eindrehungen 35 und 38 versehen, so dass bei übergeschobener äusserer Hülse 34 zwei Ringkanäle entstehen. Davon dient der obere 35 zur Aufnahme eines Kühlmittels, das durch den Zuführungsstutzen 36 zu- und durch den Abführungsstutzen 37 abgeführt wird. Der untere Ringkanal 38 dient zur Aufnahme und Verteilung von Wasserstoff, der durch den Zuführungsstutzen 39 eingebracht wird. Da er mit den in die innere Hülse 33 eingearbeiteten Längsschlitzen kommuniziert, ist die gleichmässige Verteilung des Wasserstoffes über den Elektrodenumfang gewährleistet.
Die beschriebenen Durchführungen können in gleicher Weise wie für Gleichstrom auch bei Ein- und Mehrphasenanordnungen Verwendung finden.
Beispiel l : 60 Nm3 Wasserstoff treten stündlich in drei gleichmässig geteilten Strömen, die Gra- phitelektroden l, 2 und 3 von je 25 mm Durchmesser umspülend, in den Lichtbogenraum 4 ein. Die Wandungen 15 dieses Lichtbogenraumes bestehen aus Graphit, der von Wasserkühlung umgeben ist. Zur Verminderung des Wärmeüberganges aus der Lichtbogenzone an die Graphitwandung werden bei 13 stündlich weitere 35 Nm3 Wasserstoff tangential eingeführt.
Der Lichtbogen wird gezündet durch Zusammenfahren der Elektroden l, 2 und 3. Im Betrieb beträgt der Abstand der Elektroden 5 - 10 mm bei einer Spannung von 200 V (verkettet gemessen) und 450 A, entsprechend einer Leistung von 260 kWh. Die Elektroden werden entsprechend dem Elektrodenabbrand nachgeschoben. Unter den angegebenen Bedingungen beträgt der Elektrodenabbrand 0,3 g C pro freigesetzte Kilowattstunde. Die Regulierung des Elektrodenvorschubs erfolgt automatisch durch die Lichtbogenspannung.
Der Wasserstoff heizt sich im Lichtbogenraum auf und verlässt diesen durch die wassergekühlte Kupferdüse 17. An die wassergekühlte Düse 17 schliesst sich der nach unten konisch zulaufende Misch-und Reaktionsraum 22 an, der aus Sicromal, einem hitzebeständigen Material, besteht. In diesem Raum werden bei 23 75 kg/h verdampftes Leichtbenzin tangential eingeführt. Dieses Leichtbenzin enthält 84% C und 16% H. Der Benzindampf legt sich zunächst als Drall an die Wandung des Reaktionsraumes 22 und strömt dem Wasserstoff entgegen. Die bereits weitgehend reagierte Gasmischung gelangt aus Raum 22 in den Nachreaktionsraum 24, der aus einem thermisch gut isolierten Graphitrohr von 160mm Länge besteht.
Das Gas wird mit bei 28 eingedüstem Wasser abgeschreckt und gelangt nach weiterer Abkühlung in einem Rieselturm zur Messung in den Gasometer.
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Nm'/h6, 5 Vol.-% C2H4
0, 6 Vol.-% C3H6
14,2 Vol.-% C2H2
0, 7 Vol.-% Methylacetylen, Allen und Diacetylen
0,3 Vol. Benzol
Rest Wasserstoff
Bei einem Gesamtumsatz von 93% haben sich 63,5je, bezogen auf das eingesetzte Benzin, zu Acetylen und Äthylen umgesetzt. Da die nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffe und das Propylen zurückgeführt werden können, ergibt sich die Ausbeute an Acetylen und Äthylen zu rund 70 Gew.-5, bezogen auf das eingesetzte Benzin.
An Russ und Teer werden 0,15%, bezogen auf den Benzineinsatz, gefunden.
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Lichtbogen mit einer Leistung von 1100 kW aufgeheizt und nach dem Verlassen der Entladungszone mit 565 kg Leichtbenzin mit einem Siedeende von 110 C vermischt.
Es entstehen 896 Nm3 trockenes Spaltgas folgender Zusammensetzung :
7,5 Vol.-% CH4
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7,0 Vol. gesättigte Kohlenwasserstoffe
Rest Wasserstoff
Der spezifische Energieverbrauch pro kg Acetylen beträgt 7,8 kWh bzw. 4,8 kWh pro kg Acetylen und Äthylen.
Beispiel 3 : In der in Beispiel 1 geschilderten Apparatur wird ein Gemisch von 83,5 Nm3/h Wasserstoff und 7 Nms/h Methan durch den Lichtbogen, der eine Leistung von 316 kW aufweist, aufgeheizt und nach Verlassen des Lichtbogenraumes mit 66 kg Leichtbenzin vermischt.
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5,05 Vol. -% C2H4 16,8 Vol.-5 C2H2
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0,3 Vol. Benzol
Rest Wasserstoff
Bei einem Gesamtumsatz von 100% beträgt der Umsatz zu Acetylen und Äthylen 70 Gew. -0/0.
Der spezifische Energieverbrauch pro kg Acetylen beträgt 8,4 kWh/kg bzw. 6,4 kWh/kg Acetylen und Äthylen.
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Beispiel 4 : Es wurde die in Beispiel l und 2 verwendete Apparatur benutzt, um 95 Nm3 Wasserstoff in einem Lichtbogen mit 276 kW Leistung aufzuheizen. Nach Verlassen des Lichtbogenraumes wurde der heisse Wasserstoff mit 70kgLeichtbenzin-monovinylacetylen-Gemisch vermischt, welches 23 Gew. -% Monovinylacetylen enthielt.
Es entstanden 177,4 Nm3 Spaltgas (trocken) folgender Zusammensetzung :
6,28Vol. -%CH4 0, 1 Vol.- C2H6
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-0/00, 4 Vol.-% Benzol
Rest Wasserstoff
Die spezifische Energie betrug 8, 1 kWh/kg Acetylen bzw. 6, 3 kWh/kg Acetylen und Äthylen.
Beispiel 5 : Es werden in einer Beispiel 1 entsprechenden Apparatur 700 Nm H2 durch einen Lichtbogen mit einer Leistung von 1870 kW aufgeheizt und nach dem Verlassen der Lichtbogenbrennkammer im Reaktionsraum mit 725 kg Leichtbenzin mit einem Siedeende von 110 C vermischt. Der Nachreaktionsraum besteht aus einem Graphitzylinder, dessen Innenwandungen durch einen tangential eingebrachten und schraubenförmig nach unten geführten zusätzlichen Dampfstrom, der aus 100 kg Benzindampf besteht, bespült werden.
Es entstehen 1547 Nm3 trockenes Spaltgas folgender Zusammensetzung :
12,9 Val. -0/0 Acetylen
8, 45 Vol. -0/0 Äthylen
1, 55 Vol. Propylen
8, 55 Vol. Methan
1,30Vol. -%höhereAcetylene 0, 31 Vol.-% Benzol
3,88 Vol. gesättigte Kohlenwasserstoffe
Rest Wasserstoff
Der spezifische Energieverbrauch pro kg Acetylen beträgt 8,0 kWh bzw. 4,7 kWh pro kg Acetylen und Äthylen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilstrom von Wasserstoff am oberen Rande der Lichtbogenbrennzone tangential in dieselbe und ein zweiter Teilstrom von Wasserstoff die Elektroden gleichmässig umhüllend und längs denselben in die Lichtbogenbrennzone eingeführt werden, worauf bei brennendem Lichtbogen der erhitzte Wasserstoff in der sich an die Lichtbogenbrennzone anschliessenden Reaktionszone mit dem gasoder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoff zusammengebracht wird, der am entfernter liegenden Ende der Reaktionszone tangential eingeführt und in einer Schraubenbewegung an der Wandung der Reaktionszone entlang in Richtung der Eintrittsstelle des erhitzten Wasserstoffes strömt, worauf das erhitzte,
in Reaktion befindliche Gemisch entgegengesetzt der Hauptbewegungsrichtung des eingeführten Kohlenwasserstoffs entlang der Mittelachse der rotationssymmetrischen Reaktionszone mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit in die mit dieser verbundene Nachreaktionszone gedrückt und nach zu Ende geführter Reaktion das Spaltprodukt beim Verlassen der letzteren in an sich bekannter Weise abgeschreckt und aufgearbeitet wird.