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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Azetylen
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Azetylen durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Methan, durch Teiloxydation derselben.
Es sind schon viele Verfahren zur Erzeugung von Azetylen durch Teiloxydation von Kohlenwasserstoffen vorgeschlagen worden. Keines dieser Verfahren ergibt jedoch grosse Volumenmenge von hochprozentigem Azetylen bei langen, störungsfreien Perioden kontinuierlichen Betriebes.
Es ist bekannt, dass Azetylen dadurch erzeugt werden kann, dass getrennte Ströme von strömungsfähigen Kohlenwasserstoffen und Oxydationsmitteln vorerhitzt und so vermischt werden, dass eine Anzahl von Gemischströmen erhalten wird, dass wenigstens einer dieser Gemischströme im wesentlichen bei Schallgeschwindigkeit in eine Zündzone und von dieser in eine Reaktionszone eingeführt wird, wobei die Verweilzeit der Gemischströme in der Reaktionszone auf ein Minimum reduziert wird, um eine Teiloxydation des Kohlenwasserstoffes zu bewirken und dass die bei der Verbrennungsreaktion gebildeten heissen Gase rasch abgeschreckt und die gewünschten Komponenten von den Produktgasen abgetrennt werden.
Es ist ferner bekannt, dass höhere Azetylenausbeuten erhalten werden, wenn bei einer Teiloxydation von Kohlenwasserstoff die Ströme des Kohlenwasserstoffes und des Oxydationsmittels auf die höchstmögli- che Temperatur erhitzt werden, bei der während des Mischens noch keine vorzeitige Zündung erfolgt, und wenn die Teiloxydationsreaktion des Kohlenwasserstoffes in dem kürzestmöglichen Zeitintervall durchgeführt wird.
Es ist jedoch bekannt, dass der Grad der Vorerhitzung bisher dadurch begrenzt war, dass bei erhöhten Temperaturen an der Mischstelle der Ströme des Oxydationsmittels und des Kohlenwasserstoffes im Über - mass vorzeitige Entzündungen auftreten. Ausserdem beschränkt die hohe Vorerhitzung der Ströme des Oxydationsmittels und/oder des Kohlenwasserstoffes die verwendbaren Ausgangskohlenwasserstoffe nach Anzahl und Art auf jene, die keinen ungebundenen Wasserstoff od. ähnl. Stoffe enthalten.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung von Azetylen durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, bei welchem ein vorerhitzter Oxydationsmittelstrom von grosser Geschwindigkeit und eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffströmen von grosser Geschwindigkeit in einer Reaktionskammer gemischt werden, worauf die Gemischströme 0, 001-0, 01 sec lang reagieren gelassen und dann abgeschreckt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Oxydationsmittelstrom vor Eintritt in die Mischkammer in viele kleine Ströme geteilt wird.
In der deutschen Auslegeschrift Nr. 1063596 wird zwar ein Verfahren beschrieben, bei welchem ein Produktgas gewonnen wird, welches einen Azetylengehalt von 9, 4 Vol.-% aufweist ; jedoch besitzt dieses den Nachteil, dass die Erzeugung nur während relativ kurzer Perioden störungsfrei abläuft, so dass der Prozess immer wieder abgebrochen und die Apparatur gereingt werden muss. Erfindungsgemäss wird dagegen ein. Verfahren vorgeschlagen, bei welchem hohe Azetylenausbeuten während langer Zeitabschnitte erzielt werden.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bestehend aus einer Verbrennungskammer, welche mit einer Brenngasquelle und eine Quelle von vorerhitztem, gasförmigem Oxydationsmittel in Verbindung steht, Mittel zum Einführen von zu pyrolysierenden Kohlenwasserstoffen in die Verbrennungskammer und einer Reaktionskammer unterhalb der Koh- lenwasserstoff-Einführungsmittel und Kühlvorrichtungen, die am Auslassende der Reaktionskammer angeordnet sind, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Reaktionskammer unterhalb der Injektionsleitung
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des Brenngasstromes in eine Vielzahl getrennter Kammern unterteilt ist, die in eine ringförmige Misch- kammer münden, wobei diese Mischkammer Injektionsleitungen für Kohlenwasserstoff aufweist,
-die ent- lang der peripheren Wand angeordnet sind und deren zentraler Auslass-in die Reaktionskammer führt.
Andere Zwecke und Vorteile der Erfindung gehen aus der ausführlichen Beschreibung eines Ausfüh- rungsbeispieles und den Patentansprüchen hervor.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Vertikalschnitt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge- mässen Vorrichtung zur Herstellung von Azetylen durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen nach dem erfin- dungsgemässen Verfahren.
Die Zwecke der Erfindung werden dadurch erzielt, dass der Strom des Oxydationsmittels vor seiner
Vermischung mit einem Strom eines vorerhitzten Kohlenwasserstoffes auf Temperaturen von etwa 900 bis etwa 15000C erhitzt wird.
Diese Vorerhitzung des Oxydationsmittels auf erhöhteTemperaturen wird dadurch erzielt, dass in den genannten Strom eine vorherbestimmte Menge eines geeigneten Brenngases eingeleitet und darin entzündet wurde. Das Brenngas wird mit hoher Geschwindigkeit eingeleitet, die vorzugsweise 152 m/sec bis Schall- geschwindigkeit beträgt, und in Mengen von etwa 2, 5 bis etwa 5% des Volumens des in dem Oxydations- mittelstrom enthaltenen Sauerstoffes. Das Gas wird durch ein geeignetes Zündorgan unmittelbar nach der Vermischung mit dem Oxydationsmittel in der Injektionsheizzone entzündet. Durch die Beimischung des schnell strömenden Brenngases wird der Oxydationsmittelstrom stark beschleunigt und erreicht im allgemeinen eine Geschwindigkeit der Grössenordnung von 305 m/sec.
In dem erfindungsgemässen Verfahren. können mehr Kohlenwasserstoffe als bisher verwendet werden.
Beispielsweise können Ausgangskohlenwasserstoffe mit einem ziemlich hohen Prozentsatz von nicht gebundenem Wasserstoff verwendet werden, sowie Kohlenwasserstoffe, die schwerer sind als Methan. Diese Verwendung ist infolge der Vorerhitzung des Oxydationsmittelstromes auf erhöhte Temperaturen möglich.
Die Zeichnung zeigt einen Reaktor 2 mit einem äusseren Haltekörper 4 aus Metall, der eine Oxydationsmittelleitung 6 aus schwer schmelzbarem Material, eine Injektionsheizkammer 8, eine Oxydationsmittelverteilungskammer 10, eine Mischkammer 12 und eine Reaktionskammer 14 aufweist.
Der Oxydationsmittelstrom 16 wird in einem geeigneten Vorerhitzer 18 auf etwa 600 - 7000C er - hitzt und dann in die Leitung 6 aus schwer schmelzbarem Material eingeführt, aus der er in die Injektions-und Erhitzungskammer 8 eintritt, in der er mit einem Brenngasstrom 20 in Berührung gebracht und gemischt wird. der durch eine Düse 22 mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise annähernd Schallgeschwindigkeit bis Schallgeschwindigkeit, eingeleitet wird. Nach der Beimischung zu dem Strom des Oxydationsmittels wird das Brenngas sofort durch ein Zündorgan 24 gezündet, das im Bereich des Brenngases angeordnet ist und so arbeitet, dass eine ununterbrochene Flamme des entzündeten Brenngases in der Injektions-und Erhitzungskammer 8 in einer festen Stellung aufrechterhalten wird.
Zur Feststellung der Temperatur des Oxydationsmittels wird ein geeignetes normales Thermoelement 26 am stromabwärts gelegenen Ende der Iniektions- und Erhitzungskammer 8 angeordnet. Diese Temperatur kann ohne weiteres dadurch gesteuert und eingestellt werden, dass die Menge und Geschwindigkeit des in den Oxydationsmittelstrom eingeleiteten Brenngases geregelt wird.
In einem geeigneten Ofen 30 wird ein Kohlenwasserstoffstrom 28 getrennt auf die gewünschte Temperatur erhitzt, die nahe bei, aber nicht über der Zersetzungstemperatur liegt. Dann wird er bei einer Geschwindigkeit von annähernd Schallgeschwindigkeit bis Schallgeschwindigkeit durch die Düsen 32 und mehrere an sie angeschlossene Verteilerleitungen 34 in die Mischkammer 12 eingeleitet. In der Mischkammer 12 werden die Kohlenwasserstoffströme gründlich und unter Turbulenz mit derselben Anzahl von Oxydationsmittelströmen gemischt. Diese turbulente Vermischung wird durch das Aufeinandertreffen der Kohlenwasserstoff- und der Oxydationsmittelströme bewirkt. Die Kohlenwasserstoffströme treten in die Mischkammer 12 über mehrere Einlässe 36 ein. Die Oxydationsmittelströme treten in die Mischkammer 12 über dieselbe Anzahl von Einlässen 38 ein.
Die Einlässe 38 für das Oxydationsmittel sind über die Organe 40 direkt mit der Verteilerkammer 10 verbunden.
Nach dem Mischen entzündet sich das rasch strömende vorerhitzte Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Oxydationsmittel spontan und wird gezwungen, in die Reaktionskammer 14 einzutreten, in der eine Teiloxydation der Kohlenwasserstoffkomponente erfolgt. Die bei der Teiloxydation des Kohlenwasserstoffes gebildeten heissen Verbrennungsprodukte werden nach sehr kurzer Verweilzeit in der Reaktionskammer 14in eine Abschreckeinrichtung 42 abgegeben, in der sie mit einem durch mehrere Sprühdüsen 46 in die Abschreckeinrichtung eingeführten Abschreckmedium 44, beispielsweise Wasser, rasch auf Temperaturen von 1000C oder weniger abgekühlt werden. Die abgekühlten Gase werden dann vom unteren.
Ende der Abschreckeinrichtung 48. abgegeben und einer nicht gezeigten geeigneten Einrichtung zum Abtrennen des
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Azetylens von andern Komponenten der gasförmigen Verbrennungsprodukte zugeführt. Die Stelle, an der die Abschreckkammer 42 stromabwärts der Reaktionskammer 14 angeordnet ist, ist kritisch, da von dieser Anordnung die Zeitspanne zwischen der Einleitung der Verbrennungsreaktion und dem Abschrecken oder Abkühlen der Verbrennungsprodukte abhängig ist. Die Abschreckkammer muss so nahe bei der Reaktionskammer angeordnet werden, dass die Verbrennung abgeschreckt wird, wenn der in dem Reaktionsgemisch enthaltene Sauerstoff teilweise verbraucht ist.
Die durch die Ziffern 6,8, 10, 40, 12, 38, 30 und 14 bezeichneten Teile des Reaktors 2 sind von einem hohen Temperaturen gewachsenen feuerfesten Material 50 und ausserdem von einem isolierend wirkenden feuerfesten Material 52 umgeben, damit die Wärmeverluste während der Oxydationsreaktion auf ein Minimum reduziert werden.
Ein besseres Verständnis des erfindungsgemässen Verfahrens wird durch das nachstehende Ausführungsbeispiel ermöglicht, indem auf hohe Temperaturen vorerhitzter Sauerstoff und Methan zur Bildung von Azetylen zurTeilreaktion miteinander gebracht wurden. Es versteht sich jedoch, dass das angegebene Beispiel die Ziele und den Umfang nur erläutert, aber nicht beschränkt.
Ausführungsbeispiel :
Ein Methangasstrom von 428 m3/h wurde in einem Röhrenofen auf 8400C vorerhitzt und über zahlreiche Öffnungen (in diesem Fall 138) mit Geschwindigkeiten von etwa 609 m/sec in die Mischzone des Verfahrens eingeleitet. Gleichzeitig wurde ein Strom von handelsüblichem normalem Sauerstoff in einer Menge von 2410 m3/h in einem Röhrenofen auf 6100C vorerhitzt und dann weiter auf 9000C erhitzt, indem in diesen Strom ein Brenngasstrom in etwa 2, 51o des Sauerstoffvolumens entsprechenden Mengen mit einer Geschwindigkeit von etwa 609 m/sec eingeleitet und entzündet wurde. Dann wurde das Oxydationsmittel in die Verteilerzone des Reaktors eingeleitet, die aus einer Kammer bestand, deren Tiefe geringer war als ihre Breite.
Das Oxydationsmittel trat dann mit einer Temperatur von 9000C und mit einer Geschwindigkeit von etwa 305 m/sec durch zahlreiche Einlässe (hier 138) in die Mischzone des Verfahrens ein. In der Mischkammer, deren Tiefe ebenfalls geringer war als ihre Breite, traf jeder schnell strömende Methanstrom mit einem entsprechenden Oxydationsmittelstrom unter einem Winkel von 900 zusammen, so dass eine starke Turbulenz und Vermischung erzielt wurde. Dann erfolgte eine spontane Entzündung des Gasgemisches, das sofort in die Reaktionszone eingeleitet wurde, in der es 0, 003 sec lang verblieb, so dass die gewünschte Teiloxydation der Methankomponente erfolgte. Die heissen Reaktionsprodukte wurden
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duktgase.
In einem Vergleichsversuch, der nach dem bekannten Verfahren durchgeführt wurde, erfolgte eine getrennte Vorerhitzung eines Methan- und eines Sauerstoffstromes auf 840 bzw. 6200C. Darauf wurden diese Ströme nach dem in dem Beispiel angegebenen Verfahren gemischt und zur Reaktion gebracht. Die Analyse der erzeugten Gase zeigte eine Azetylenausbeute von nur 7, 5 Vol.-% der Produktgase.
Die Betriebsbedingungen und die vergleichweise erhaltenen Ergebnisse des Ausführungsbeispieles sind in der nachstehenden Tabelle angegeben, die keiner weiteren Erläuterung bedarf :
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Tabelle
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<tb>
<tb> Erfindungsgemässes <SEP> Verfahren <SEP> mit <SEP> Erhitzung <SEP> des
<tb> Verfahren <SEP> Sauerstoffes <SEP> auf <SEP> 600 C
<tb> Methanmenge <SEP> (m3/h), <SEP> 4280 <SEP> 4200 <SEP>
<tb> Vorerhitzung <SEP> des <SEP> Methans <SEP> ( C) <SEP> 840 <SEP> 840
<tb> Geschwindigkeit <SEP> des <SEP> Methans <SEP> bei
<tb> der <SEP> Vermischung <SEP> (m/sec) <SEP> 609 <SEP> 609
<tb> Sauerstoffmenge <SEP> (n/h) <SEP> 2410 <SEP> 2410
<tb> Vorerhitzung <SEP> des <SEP> Sauerstoffes <SEP> (oC) <SEP> 610 <SEP> 620
<tb> Überhitzung <SEP> des <SEP> Sauerstoffes <SEP> ( C)
<SEP> 900
<tb> Sauerstoff <SEP> temperatur <SEP> bei
<tb> der <SEP> Vermischung <SEP> (OC) <SEP> 900 <SEP> 600
<tb> Sauerstoffgeschwindigkeit <SEP> bei
<tb> der <SEP> Vermischung <SEP> (m/sec) <SEP> 305 <SEP> 91
<tb> Brenngasmenge <SEP> (m3/h) <SEP> 56 <SEP> --Brenngasgeschwindigkeit <SEP> (m/sec) <SEP> 609--Reaktoreinlasstemperatur <SEP> (OC) <SEP> 900 <SEP> 600 <SEP>
<tb> Geschätzte <SEP> Verweilzeit <SEP> in <SEP> der
<tb> Reaktionszone <SEP> (sec) <SEP> 0,003 <SEP> 0, <SEP> 003
<tb> Abschrecktemperatur <SEP> (OC) <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> Produktgasanalyse, <SEP> Vol.-%
<tb> Azetylen <SEP> 8, <SEP> 4 <SEP> 7,5
<tb> Kohlendioxyd <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP> 2, <SEP> 6
<tb> Äthylen <SEP> 0,3 <SEP> 0,5
<tb> Methylazetylen <SEP> 0,2 <SEP> 0, <SEP> 1 <SEP>
<tb> Vinylazetylen <SEP> O, <SEP> l <SEP> O, <SEP> l <SEP>
<tb> Diazetylen <SEP> 0,3 <SEP> 0, <SEP> 3
<tb> Wasserstoff <SEP> 58,
1 <SEP> 56,7
<tb> Kohlenmonoxyd <SEP> 23,4 <SEP> 24,6
<tb> Methan <SEP> 6, <SEP> 2 <SEP> 6,2
<tb> Stickstoff <SEP> 0,6 <SEP> 1,0
<tb> Sauerstoff <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 4
<tb> insgesamt <SEP> : <SEP> 100,0 <SEP> 100,0
<tb>