CH395030A - Verfahren zur Durchführung endothermer Reaktionen bei hohen Temperaturen und Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung eines Gemisches von Acetylen und Äthylen durch Spaltung von Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zur Durchführung endothermer Reaktionen bei hohen Temperaturen und Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung eines Gemisches von Acetylen und Äthylen durch Spaltung von Kohlenwasserstoffen
Zur Zufuhr der Energie bei der Spaltung von Kohlenwasserstoffen zu Acetylen sind beispielsweise folgende Möglichkeiten vorhanden: a) Übertragung der Wärme von einem festen Medium auf flüssigen oder dampfförmigen Kohlenwasserstoff, etwa durch einen Cowper, einen Erhitzer für Wärmesteine oder einen   Koksschacht;    b) Übertragung der Wärme von einem gasförmigen auf ein gasförmiges Medium, etwa durch Flam  menreaktionen;    c) Zufuhr der Energie durch elektrischen Strom, beispielsweise in Form des Lichtbogenverfahrens.



   Trotz der Vielzahl verfahrenstechnischer Ausführungsformen, die für jede Gruppe bekanntgeworden sind, arbeiten die bisherigen Acetylenherstellungsverfahren mit unbefriedigendem energetischem Wirkungsgrad.



   Zum Beispiel wird auf den Wulff-Prozess verwiesen, der eine Ausführungsform nach   a)    darstellt.



  Seine Nachteile bestehen darin, dass ein grosses Speichervolumen bei nur teilweisem Umsatz der angewandten Kohlenwasserstoffe zu Acetylen notwendig ist. Ausserdem fällt zwangläufig eine grössere Olefinmenge an, und schliesslich ist das Verfahren auf Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen beschränkt.



   Auch Anordnungen nach b) wurden bereits in der Literatur beschrieben. Die Nachteile dieser Verfahren bestehen hier aus folgenden Punkten:
Der angewendete Rohstoff wird nicht annähernd vollständig umgesetzt; ausserdem fällt eine grosse Ole finmenge zwangläufig an. Weiter ist Sauerstoff notwendig, da mit Luft nicht genügend hohe Temperaturen erzielt werden können bzw. ein zu verdünntes Acetylengas entsteht. Ausserdem tritt eine Ausbeuteverschlechterung durch Sekundärreaktionen der Verbrennungsprodukte ein. Diese Verbrennungsprodukte, die aus Kohlendioxyd und Wasser bestehen, reagieren unter anderem mit dem Ausgangsmaterial und dem gebildeten Acetylen zu Kohlenoxyd und Wasserstoff.



  Schliesslich sind auch hier die Verfahren auf niedere Kohlenwasserstoffe beschränkt.



   Nach c) arbeiten beispielsweise technisch ausgeführte Lichtbogenverfahren. Bei der Anwendung von Kohlenwasserstoffen in einem solchen Fall ist nur ein etwa 50 % iger Umsatz zu erzielen. Ausserdem entstehen Kosten für die Trennung des Kohlenwasserstoffs vom Wasserstoff und für die nochmalige   Energieauf-    wendung zum Aufheizen. Weiter bilden sich Diacetylen und Russ, und schliesslich sind die Verfahren auf Kohlenwasserstoffe mit einer niederen Zahl von Kohlenstoffatomen beschränkt.



   Zusammenfassend lässt sich über diese Verfahren sagen, dass in jedem Falle weitgehend die Reaktion der Ausführungsform angepasst werden muss.



   Nach der vorliegenden Erfindung, die unter Mitwirkung eines erhitzten Gases durchgeführt wird, wird der als Wärmespender dienende Wasserstoff thermisch mindestens teilweise dissoziiert, der thermisch dissoziierte Wasserstoff ausserhalb des Dissoziierungsortes mit dem Ausgangsmaterial der endothermen Reaktion zuammengebracht, wobei die bei der Wiedervereinigung der Bestandteile des zur Dissoziation gebrachten Wasserstoffs freiwerdende Wärme zur Durchführung der endothermen Reaktion dient und das Reaktionsprodukt abgeschreckt wird. (Seine weitere Zerlegung und Aufarbeitung gehört nicht mehr in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.)  
Als zu dissoziierendes Gas wird Wasserstoff verwendet. Dieser wird nicht als Reaktionspartner eingeführt, sondern er wirkt nach seiner mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens bewirkten Aufheizung als Energieträger auf das Ausgangsmaterial ein.



   Es handelt sich also um die Ausnutzung der Wärmetönung der Reaktion:    H+H--H2+    100 Kcal.



   Es kann so eine hohe Energiekonzentration im Reaktionsraum erzielt werden.



   Gegenstand des Patentes ist auch eine Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung eines Gemisches von Acetylen und Äthylen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass man als zu dissoziierendes Gas Wasserstoff verwendet, ihn im elektrischen Lichtbogen dissoziiert und ihn in dissoziiertem Zustand mit mehr als zwei C-Atome aufweisenden aliphatischen Kohlenwasserstoffen zusammenbringt, wobei der als Wärmespender dienende Wasserstoff nicht in chemische Reaktion tritt. Der Wasserstoff wird dabei z.

   B. mit einer Strömungsgeschwindigkeit in der Grö ssenordnung von 102 bis 103 m/sec durch den elektrischen Lichtbogen geführt, dabei erhitzt und weitgehend dissoziiert, das heisst in atomaren Zustand gebracht, darauf bei anhaltender   Strömungsgeschwib    digkeit in eine von der   Dissoziationszone    räumlich getrennte, sich aber an sie anschliessende Reaktionszone eingefahren und in dieser mit dem für die Bildung von Acetylen und Äthylen vorgesehenen Ausgangskohlenwasserstoff zusammengebracht wird, worauf das Reaktionsprodukt in an sich bekannter Weise abgeschreckt und aufgearbeitet wird.



   Als aliphatische Kohlenwasserstoffe mit mehr als   2 C    können im vorliegenden Zusammenhang gesättigte, ungesättigte, geradkettige oder verzweigte aliphatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.



   Pro Grammatom des in dem als Ausgangsmaterial verwendeten Kohlenwasserstoff enthaltenen Kohlenstoffs werden vorteilhaft 0,05 bis 2,0 Mol Wasserstoff eingesetzt, insbesondere 0,1 bis 1,0 Mol Wasserstoff verwendet.



   Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung von Acetylen nach der Erfindung die Bildung von Russ sich gänzlich vermeiden lässt. Dieses bedeutet einen wesentlichen Vorteil, der nicht nur auf die Verwendung der bei Rekombination der Atome zu Molekülen freiwerdende Energie zurückzuführen ist, sondern auch darauf, dass der Wasserstoff auf die Gleichgewichtslage der gewünschten Reaktion einen Einfluss hat, das heisst den Reaktionsverlauf in günstigem Sinne beeinflusst.



   Wird durch einen elektrischen Lichtbogen mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise 100 bis 1000 m pro Sekunde, Wasserstoff geblasen, so werden die Wasserstoffmoleküle zu Atomen dissoziiert. Diese Atome haben bekanntermassen eine Lebensdauer in der Grössenordnung von 0,1 bis 1 Sekunde, die dadurch bedingt ist, dass die Wiedervereinigung zum Molekül nur im Dreierstoss erfolgen kann.



   Es ist bei Berücksichtigung dieser Tatsachen und der hohen Gasgeschwindigkeit verständlich, dass mehrere Meter hinter dem Lichtbogen noch keine Wiedervereinigung zu Molekülen eingetreten ist. Diese Zone, die ausserhalb des elektrischen Lichtbogens liegt, eignet sich, wie gefunden wurde, ausgezeichnet als Reaktionszone zur Herstellung von Acetylen aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit mehr als   2 C    mit Hilfe von im elektrischen Lichtbogen dissoziiertem Wasserstoff. Werden in diese Zone ausser dem rasch strömenden dissoziierten Wasserstoff Kohlenwasserstoffe mit mehr als 2 C, gleich welcher Molekülgrösse, eingeführt, so tritt folgendes ein: Die Rekombination des Wasserstoffes zum Molekül erfolgt unmittelbar an den eingeführten Kohlenwasserstoffen.



  Es erfolgt Spaltung des Kohlenwasserstoffsmoleküls in Bruchstücke, aus denen Acetylen und Äthylen entstehen, und zwar bedingt durch den Wasserstoff, ohne Bildung von Russ oder höheren Acetylenen, wie Diacetylen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es nicht notwendig ist, zugunsten der Acetylenausbeute auf vollständigen Umsatz des Kohlenwasserstoffs zu verzichten.



   Dies bedeutet gegenüber den heute bekannten Verfahren eine bessere Ausnutzung des Ausgangskohlenwasserstoffs und keine Abhängigkeit von bestimmter Molekülgrösse, geringere Aufkonzentrierungskosten des Acetylens durch Abwesenheit von Russ und Diacetylen, Wegfall der Methanwasserstoff Trennung und geringerer Aufwand an elektrischer Energie.



   Bei Anwendung eines elektrischen Lichtbogens und Durchführung einer Reaktion in demselben verläuft die Reaktion nicht optimal, weil der Lichtbogen aus Zonen verschiedener Temperatur besteht und zum Beispiel am Rand kälter ist als in der Mitte.



   Nach der Erfindung verläuft im Gegensatz dazu die gewünschte Reaktion nicht im Lichtbogen, sondern erst danach, also in einem genau abgegrenzten und exakt regelbaren Temperaturgebiet, das es gestattet, optimale Umsätze zu erzielen.



   Beispiel I
Durch die Öffnung 1 eines Lichtbogenofens von 35 kW werden stündlich 4 m3 Wasserstoff, zweckmässig bereits auf   10000 C    vorerhitzt, tangential in die Drallkammer 2 eingeführt. Aus der Drallkammer tritt der Wasserstoff durch die Düse 3 in den Lichtbogen, der zwischen den Elektroden 4 brennt.



  Die Düse wird zweckmässig so bemessen, dass der Wasserstoff mit einer Geschwindigkeit von mindestens 100 m/sec, zweckmässig 1000 m/sec, in den Lichtbogenraum eintritt. Nach Verlassen des Lichtbogens trifft der nunmehr atomare Wasserstoff bei 5 auf stündlich eingeführte 4 m3 Propan, die bei 6 eintreten. Das Propan wird zweckmässig ebenfalls auf etwa 10000 C vorerhitzt zugeführt. Im Reaktionsraum 7 stellt sich die für den optimalen Umsatz günstigste Temperatur von 1200 bis etwa   16000 C    ein. Die Reaktionsprodukte werden durch bei 8 ein  gedüstes Wasser, etwa 1001 pro Stunde, sofort auf 1000 C abgeschreckt. Vom in Form von Propan eingesetzten Kohlenstoff werden erhalten:
85 % in Form von Acetylen
5,3 % in Form von Propylen
8 % in Form von Äthylen
1,7 % in Form von Methan.



  Höhere Acetylene oder Russ treten nicht auf.



   Beispiel 2
Es wird in der gleichen Apparatur und unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 gearbeitet. Anstelle von Propan werden aber stündlich etwa 5 kg eines abgetoppten Kuweitöles (Siedeintervall   160-3400 C)    im Dampfzustand mit einer Temperatur von etwa 5000 C zugeführt. Es wird vom eingesetzten Kohlenstoff erhalten:
78 % in Form von Acetylen    5, 1 %    in Form von Propylen
13,3 % in Form von Äthylen    3, 2S    in Form von Methan Auch hierbei tritt keine Russbildung ein.



   Beispiel 3
Es wird in der gleichen Apparatur wie in Beispiel 1 und unter den gleichen Bedingungen gearbeitet. Anstelle von Propan werden aber stündlich 4 kg Dodecan im Dampfzustand mit einer Temperatur von etwa   5000 C    eingeführt. Es werden dabei etwa 80 % des eingesetzten Kohlenstoffs in Form von Acetylen und etwa   12%    in Form von Athylen erhalten.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zur Durchführung endothermer Reaktionen bei hohen Temperaturen mit Hilfe von Wasserstoff als Wärmespender, dadurch gekennzeichnet, dass man den als Wärmespender dienenden Wasserstoff thermisch mindestens teilweise dissoziiert, den thermisch dissoziierten Wasserstoff ausserhalb des Dissoziierungsortes mit dem Ausgangsmaterial der endothermen Reaktion zuammenbringt, wobei die bei der Wiedervereinigung der Bestandteile des zur Dissoziation gebrachten Wasserstoffs freiwerdende Wärme zur Durchführung der endothermen Reaktion dient und das Reaktionsprodukt abschreckt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass man als zu dissoziierendes Gas Wasserstoff anwendet und dieser kein Reaktionspartner der endothermen Reaktion ist.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Dissoziation durch direkte Berührung des Gases mit einem elektrischen Lichtbogen bewirkt wird.

   PATENTANSPRUCH II Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zur Herstellung eines Gemisches von Acetylen und Äthylen, dadurch gekennzeichnet, dass man als zu dissoziierendes Gas Wasserstoff verwendet, ihn im elektrischen Lichtbogen dissoziiert und ihn in dissoziiertem Zustand mit mehr als zwei C-Atome aufweisenden aliphatischen Kohlenwasserstoffen zusammenbringt, wobei der als Wärmespender dienende Wasserstoff nicht in chemische Reaktion tritt.

   UNTERANSPRÜCHE 3. Anwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass man gesättigte oder ungesättigte, geradkettige oder verzweigte aliphatische Kohlenwasserstoffe verwendet.

   4. Anwendung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro Grammatom im als Ausgangsmaterial verwendeten Kohlenwasserstoff enthaltenem Kohlenstoff 0,05 bis 2,0 Mol Wasserstoff verwendet werden.

   5. Anwendung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 0,1 und 1,0 Mol Wasserstoff pro Grammatom im als Ausgangsstoff verwendeten Kohlenwasserstoff enthaltenem Kohlenstoff verwendet werden.

   6. Anwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zimmertemperatur flüssige Kohlenwasserstoffe vor der Reaktion verdampft werden.