CH353733A - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen
Bei der Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise von Acetylen, Äthylen und höheren Olefinen aus Methan, Äthan oder höheren Kohlenwasserstoffen   höheren    Sättigungsgrades ist es notwendig, den umzusetzenden Kohlenwasserstoffen in kürzester Zeit grosse Energiemengen zuzusetzen.



   Die Zufuhr der Energie kann hierzu z. B. indirekt vorgenommen werden, indem man die zu krackenden Gase durch von aussen hoch erhitzte Röhren oder Wärmeaustauscher leitet. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Wände der Röhren überhitzt sind und dadurch verstärkte Koksund Russbildung hervorgerufen wird. Ausserdem ist das Verfahren auf kleine Rohrdurchmesser   be'    schränkt, da bei grossen Durchmessern die Wärme übertragung von der Wand auf das Gas zu langsam und nur unvollständig vor sich geht. Die Randzonen des Gases werden zu heiss, die mittleren Zonen dagegen werden nicht warm genug und nehmen an der Reaktion nicht teil.



   Weiterhin benutzt man zur indirekten Wärmezuführung sogenannte Regenerativöfen, die man mit einem Heizgasgemisch von Luft und Brennstoff heissfährt und dann nach Abschaltung des Heizgases und Ausspülen mit einem Inertgas mit den zu spaltenden Kohlenwasserstoffen beschickt, welche an dem heissen Füllmaterial der Öfen gekrackt werden.



  Nach Erreichen einer Mindesttemperatur wird wieder mit Heizgas heissgefahren. Dieser Vorgang wiederholt sich laufend durch automatische Umschaltung in Abständen von einigen Minuten. Nachteilig an diesem Verfahren neben der komplizierten Umschaltautomatik ist die unvermeidliche Abscheidung von Krackrückständen in den Regenerativöfen und deren ständig wechselndes Temperaturniveau, wodurch die Ausbeuten und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens leiden.



   Nach einem andern Verfahren wird die Spaltungsenergie direkt zugeführt, indem ein Teil des zu spaltenden Kohlenwasserstoffes mit einem Unterschuss an Sauerstoff in einem Spezialbrenner verbrannt wird und so selbst die Energie für die Pyrolyse des überschüssigen Kohlenwasserstoffes liefert.



  Will man aber vermeiden, dass der zu spaltende Kohlenwasserstoff zum Teil verbrannt wird, so ist das Verfahren nicht anwendbar.



   Es ist deshalb schon verschiedentlich vorgeschlagen worden, die Energie durch ein Trägergas, z. B. durch hocherhitzten Wasserstoff, Wasserdampf oder andere Verbrennungsgase zuzuführen, das in geeigneter Weise mit den zu spaltenden Kohlenwasserstoffen vermischt wird. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, als Heizgas Wasserstoff zu verwenden und diesen mit Sauerstoff zu verbrennen, weil der gebildete Wasserdampf sich nach der Reaktion durch Kondensation leicht von dem Produktgas abtrennen lässt und die anschliessende Gastrennung weniger belastet wird. Es können aber auch die Verbrennungsprodukte aller andern brennbaren Stoffe als Heizgas verwendet werden.

   Es ist weiterhin von besonderem Vorteil, die Verbrennung des Brennstoffes und die Strecke bis zur Vermischung der ausgebrannten Rauchgase mit dem zu spaltenden Kohlenwasserstoff auf einen möglichst kleinen Raum zu beschränken, damit die unvermeidlichen Wärmeverluste durch Abstrahlung möglichst klein gehalten werden. Es soll also eine möglichst kurze   Flamme entstehen, die grosse Energiemengen liefert, aber nach kurzer Brennstrecke ausgebrannt ist. Zu diesem Zweck mischt man häufig Brenngas und Oxydationsmittel in einer besonderen Mischkammer vor, bevor sie in der eigentlichen Brennkammer zur Verbrennung gelangen.

   Es besteht aber bei diesen Brennern mit vorgemischten Gasen die Gefahr, dass die Flamme in die Mischkammer zurückschlägt und den Brenner zerstört, wenn man nicht sehr empfindliche, technisch meist komplizierte Regelanlagen in die Gaszuführungen einschaltet, welche die   Druck-und    Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches konstant halten, wie es z. B. bei den Brennern für die unvollständige Verbrennung von Methan oder Erdgas mit Sauerstoff der Fall ist.



   Diese Nachteile werden durch die vorliegende Erfindung vermieden, die sich auf ein Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, insbesondere auf die Herstellung von Acetylen und/oder Äthylen   undVoder    höheren Olefinen, aus Kohlenwasserstoffen höheren Sättigungsgrades durch Zumischen mindestens eines derselben zu heissen Verbrennungsgasen, die durch kontinuierliche Verbrennung eines Brennstoffes   und    eines gasförmigen Oxydationsmittels in einer Brennkammer hergestellt wurden, und durch anschliessendes Abschrecken der gebildeten Reaktionsprodukte, bezieht.

   Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die heissen Verbrennungsgase erzeugt werden, indem ein Brennstoff und ein Unterschuss von oxydierendem Gas getrennt, mit einer Geschwindigkeit, die einer Machzahl von mindestens 0,8 entspricht, vorteilhaft jedoch mit Schallgeschwindigkeit, in die Brennkammer eingeführt und in dieser verbrannt wird, wobei mindestens einer der Verbrennungsteilnehmer durch eine oder mehrere tangentiale Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen in die Brennkammer eingeführt wird. Die Verbrennung von Brennstoff mit dem Oxydationsmittel erfolgt bei dieser Art der Vermischung und Verwirbelung so rasch, dass die sich bildende Flamme auf kürzester Strecke ausgebrannt ist. Infolgedessen ist es möglich, mit sehr grossen Brennkammerbelastungen zu arbeiten. So ist es technisch besonders vorteilhaft, mit Belastungen von 1 Milliarde kcal/m3h oder mehr zu arbeiten.

   Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Brennkammer, dass die gesamte Verbrennung ebenso wie bei Flammen mit vorgemischten Gasen auf kleinstem Raum erfolgt, so dass die Abstrahlungsverluste im Verhältnis zur erzeugten Energie klein sind, aber im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen kein Rückschlagen der Flamme in eine Mischkammer erfolgen kann und der gesamte komplizierte Regelmechanismus nicht notwendig ist.



   Der vorstehend gebrauchte Ausdruck  Machzahl  gibt das Verhältnis der angewandten Gasgeschwindigkeit zu der Schallgeschwindigkeit bei der betreffenden Temperatur an.



   Nach dem erfindungsgemässen Verfahren vermischen sich die mit Flammentemperatur aus der Brennkammer austretenden Rauchgase, welche durch die Verwirbelung in der Brennkammer eine hohe Turbulenz besitzen, mit dem der Pyrolyse zu unterwerfenden Reaktionsteilnehmer praktisch momentan, und es findet ein besonders guter Wärme übergang vom Rauchgas auf die Reaktionsteilnehmer statt, wodurch eine weitgehend vollständige Umsetzung gewährleistet wird. Der der Pyrolyse zu unterwerfende Reaktionsteilnehmer kann radial oder tangential in gleichem oder entgegengesetztem Drehsinn eingeführt werden. Es kann ferner von Vorteil sein, die Rauchgase, bevor sie mit dem Reaktionspartner gemischt werden, durch eine Rohrverjüngung, z. B. eine Düse, zu führen, um ihre Axialgeschwindigkeit zu erhöhen.



   Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Bohrungen für den Brennstoff und das Oxydationsmittel in der Weise anzuordnen, dass jede Zuführungsöffnung für Brennstoff von Öffnungen für das Oxydationsmittel umgeben ist und umgekehrt.



  Der Brennstoff und das Oxydationsmittel können aber auch in eigenen Bohrungskränzen zugeführt werden.



   Es ist bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens von Vorteil, bei der Herstellung von z. B. Acetylen und/oder Athylen und/oder Propylen, n-Butylen, iso-Butylen, also hauptsächlich Olefinen mit 3 oder 4 C-Atomen, zwischen Flammenende und Einführungsstelle des Reaktionsteilnehmers ein Sekundärgas, vorteilhaft Wasserdampf oder Wasserstoff, zuzumischen, um den Anteil an sauerstoffhaltigen Radikalen, Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen zu senken (vgl. Schweizer Patent Nr. 352324).



   Die Beimischung von Sekundärgas ist besonders dann vorteilhaft, wenn man Brennstoffe verwendet, die sehr hohe Flammen- und Rauchgastemperaturen erzeugen, z. B. Wasserstoff. Es kann das Sekundärgas beliebig radial oder tangential in gleichem oder entgegengesetztem Drehsinn in das Rauchgas eingeführt werden.



   Bei dem erfindungsgemässen Verfahren führt man zur Herstellung von z. B. Acetylen und/oder   Athylen    und/oder höheren Olefinen in den Strom der Verbrennungsgase z. B. aliphatische Kohlenwasserstoffe, gegebenenfalls nach einer Vorwärmung, zweckmässig in Gas, oder fein versprühter flüssiger Form wahlweise entweder radial oder tangential oder auf andere, an sich bekannte Weise, ein, um eine möglichst rasche und vollkommene Vermischung mit den heissen Verbrennungsgasen zu erhalten, und schreckt das Gemisch nach kurzer Verweilzeit auf ebenfalls bekannte Weise, z. B. durch Einspritzen von Wasser, ab. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Reaktionsrohr mit keramischem Material auszukleiden, um die unerwünschte Russbildung zu unterdrücken, die von Metalloberflächen begünstigt wird.  



   Als Material für die Brennkammer verwendet man vorteilhaft Metall, das durch ein Kühlmittel, z. B. Wasser, gekühlt wird; es kann aber auch ein keramisches Material oder mit Keramik ausgekleidetes Metall verwendet werden. Benutzt man eine gekühlte   Metalibrenukammer,    so kann man die durch das Kühlmittel aufgenommene Wärme an anderer Stelle weiterer Verwertung zuführen.



   Als Ausgangsstoffe eignen sich z. B. gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe bis zu 30 C-Atomen oder mehr. Die Verwendung von gesättigten Kohlenwasserstoffen, z. B. Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Heptan, Octan, Dekan, Dodekan, besonders in Form der technisch üblichen flüssigen Gemische, wie Erdöldestillaten oder Kohlenwasserstoffölen, z. B. abgetopptem Kuweitöl, sowie in Form von technisch anfallenden Gasen, wie Erdgas, ist besonders vorteilhaft. An Stelle von aliphatischen gesättigten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis etwa 30 oder mehr C-Atomen können aber auch ungesättigte Kohlenwasserstoffe verwendet werden.



  Als verzweigte Kohlenwasserstoffe kommen beispielsweise Isobutan, Isooctan, Isoheptan in Betracht. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe als solche werden zweckmässig nur verwendet, wenn man Acetylen herstellen will, oder wenn sie in geringen Mengen in andern Kohlenwasserstoffen enthalten sind. So kann man beispielsweise   Äthylen,    Propylen,   oder    Isobutylen zur Herstellung von Acetylen einsetzen.



   Als Brennstoffe eignen sich beliebige gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe oder auch feste Kohlenwasserstoffe, soweit sie durch Erwärmen in die flüssige Phase gebracht werden können. Die nicht gasförmigen Brennstoffe werden zweckmässig in fein versprühter Form eingesetzt. Als Brennstoffe eignen sich weiter beispielsweise Wasserstoff, Kohlenoxyd oder Wassergas, das einen Überschuss an Wasserstoff und/oder Kohlenoxyd enthält.



   Als Oxydationsmittel kommt z. B. Sauerstoff in technisch reiner Form, gegebenenfalls aber auch in Form von Gemischen, wie Luft, in Frage. Das Oxydationsmittel wird stets im Unterschuss eingesetzt.



   In der Zeichnung ist eine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignete Vorrichtung schematisch dargestellt:
In die Kammer (1), die aus Metall hergestellt ist und von einem Kühlmittel,   z.B.    Wasser, umflossen wird, wird durch tangentiale Bohrungen als Brennstoff, z. B. Wasserstoff (2), und als oxydierendes Gas, z. B. Sauerstoff (3) eingebracht. Wie aus Schnitt A zu ersehen, wird Wasserstoff (2) und Sauerstoff (3) in wechselnder Folge in einer oder mehreren übereinanderliegenden Ebenen zugeführt. Als Sekundärgas kann   z. B. Wasserdampf    (4) radial oder tangential am Ende der Flamme eingefahren werden. Die Reaktionsteilnehmer, z. B. die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe, werden ebenfalls radial oder tangential (5), wie in Schnitt B gezeigt, eingeführt.

   Nach kurzer   Venveilzeit    im Reaktor (6), die u. a. auch von dessen Dimension abhängig ist, werden die Gase mittels fein versprühten Wassers abgeschreckt (7) und in einem Siphon (8) von flüssigen Bestandteilen abgetrennt. Der zweckmässig aus hochtemperaturbeständigem Metall hergestellte Reaktor ist mit einem keramischen Futter (9) versehen.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen aus Kohlenwasserstoffen höhe ren Sättigungsgrades durch Zumischen mindestens eines derselben zu heissen Verbrennungsgasen, die durch kontinuierliche Verbrennung eines Brennstoffes und eines gasförmigen Oxydationsmittels in einer Brennkammer hergestellt wurden, und durch anschliessendes Abschrecken der gebildeten Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen Verbrennungsgase erzeugt werden, indem Brennstoff und ein Unterschuss von oxydierendem Gas getrennt mit einer Geschwindigkeit, die einer Machzahl von mindestens 0,8 entspricht, in die Brennkammer eingeführt und in dieser verbrannt werden, wobei mindestens einer der Verbrennungsteilnehmer durch eine oder mehrere tangentiale Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen in die Brennkammer eingeführt wird.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch I, enthaltend ein Reaktionsrohr und eine Brennkammer zur kontinuierlichen Erzeugung von Verbrennungsgasen, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Zuführung des Brennstoffes und/oder des Oxydationsmittels eine oder mehrere tangential angeordnete Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen aufweist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, zur Herstellung von Acetylen oder Äthylen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff gasförmig radial oder tangential, mit dem Rauchgas gleichsinnig oder im entgegengesetzten Drehsinn eingeleitet wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und oxydierendes Gas mit Schallgeschwindigkeit in die Brennkammer eingeführt werden.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase beim Verlassen der Brennkammer vor der Einführungsstelle der Reaktionsteilnehmer noch eine Verjüngung, z. B. eine Düse, passieren.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zumischung des Reaktionsteilnehmers den Rauchgasen ein Sekundärgas, vorteilhaft Wasserdampf oder Wasserstoff, zuge setzt wird.

   5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff und Oxydationsmittel gleichsinnig miteinander oder gegensinnig zueinander eingeführt werden.

   6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer mit mindestens 1 Milliarde kcal m-s . h-1 belastet wird.

   7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als oxydierendes Gas technisch reiner Sauerstoff verwendet wird.

   8. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Wasserstoff verwendet wird.

   9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer aus Metall, keramischem Material oder aus mit keramischem Material ausgekleideten Metall besteht.

   10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass für den Reaktionsteilnehmer radiale oder in gleichsinnig oder entgegengesetztem Sinn angebrachte tangential verlaufende Bohrungen angeordnet sind.

   11. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Brennraum und der Einführungsstelle des Reaktionsteilnehmers eine Verjüngung, z. B. eine Düse, angeordnet ist.

   12. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sekundärgas Bohrungen radial oder tangential in beliebigem Drehsinn angebracht sind.

   13. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsrohr aus mit keramischem Material ausgekleideten Metall besteht.

   14. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungen des Brennstoffes von denen für das Oxydationsmittel umgeben sind oder umgekehrt.