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Vorrichtung zur Wärmespaltung von Kohlenwasserstoffen Die Erfindung
betrifft Vorrichtungen zur Wärmespaltung von Kohlenwasserstoffen zwecks Herstellung
von ungesättigten Kohlenwasserstoffen und insbesondere von Acetylen.
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Es ist bekannt, daß man Acetylen herstellen kann, indem man gasförmige
oder durch Zerstäubung feinzerteilte, flüssige Kohlenwasserstoffe sehr kurze Zeit
auf Temperaturen von 1000 bis 2000° erhitzt.
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Es ist ferner bekannt, daß man die durch Wärme zu spaltenden Kohlenwasserstoffe,
um sie auf die erforderliche Temperatur zu bringen, auch in die noch heißen Verbrennungsgase
der Flamme eines Brenners einführen kann, der durch einen gasförmigen oder flüssigen
Brennstoff und mehr oder weniger konzentrierten Sauerstoff gespeist wird, und daß
es hierbei, um die spätere Konzentrierung des gebildeten Acetylens zu begünstigen,
zweckmäßig ist, mit den Verbrennungsgasen möglichst wenig inerte Gase in das Pyrolysegas
einzuführen. Zu diesem Zweck wird der Brenner zweckmäßig einerseits mit Sauerstoff
gespeist, der möglichst wenig andere Gase, insbesondere Stickstoff, enthält, und
andererseits mit einem wasserstoffreichen Brennstoff (wie mehr oder weniger reinem
Wasserstoff oder Methan oder Koksofengas), wobei der durch die Verbrennung des Wasserstoffes
gebildete Wasserdampf dann aus den Gasen durch Kondensation entfernt wird.
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Derartige Arbeitsbedingungen stellen jedoch, indem sie stellenweise
zu sehr hohen Temperaturen führen, an die Widerstandsfähigkeit der Baustoffe der
Brenner so hohe Anforderungen, daß diese nur schwierig erfüllt werden können.
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Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, hat man schon vorgeschlagen
(vgl. die USA.-Patentschrift 1 823 503), eine scheibenförmige Flamme zu erzeugen,
die nach der Mitte des Brenners hin konvergiert, wodurch diese von den Wandungen
der Verbrennungskammer ferngehalten wird, und dann rechtwinklig zu dieser Flamme
die durch Wänne zu spaltenden Kohlenwasserstoffe einströmen zu lassen.
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Es ist weiter vorgeschlagen worden (vgl. die USA.-Patentschrift 2
343 866), die Kohlenwasserstoffe mit der Flamme im Gegenstrom in Kontakt zu bringen,
wobei jedoch die verwendete Vorrichtung den Nachteil hat, daß sie Verbrennungskammern
aus feuerbeständigen Stoffen erfordert.
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In der britischen Patentschrift 672 100 ist ferner eine Vorrichtung
zum Spalten von Kohlenwasserstoffen zwecks Herstellung von Acetylen beschrieben,
bei welcher der in die Spaltkammer einmündende Gaszerteiler aus einem mit Durchgangskanälen
versehenen Block aus einem keramischen Stoff besteht, dessen mit den Flammen in
Berührung kommende Bodenfläche durch eine ebenfalls mit entsprechenden Gasdurchgangskanälen
versehene Metallscheibe abgedeckt ist, die selbst durch in Hohlräumen dieser Scheibe
umlaufendes Kühlwasser gegen übermäßige Wärmeeinwirkung geschützt wird. Bei dieser
Vorrichtung besteht auch der Mantel der Spaltkammer aus Metall, und um diesen gegen
die Wärmeeinwirkung zu schützen, ist er zum Teil als Doppelmantel ausgeführt, durch
den Kühlwasser hindurchgeschickt wird. Bei Verwendung dieser Vorrichtung wird ein
vorerhitztes Gemisch aus Sauerstoff und dem zu spaltenden Kohlenwasserstoff durch
den genannten Gaszerteiler in die Spaltkammer geschickt, und die Gewinnung des Acetylens
erfolgt hierbei durch unvollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoffes durch den
Sauerstoff. Die Spaltung von Kohlenwasserstoffen mittels dieser Vorrichtung hat
den Nachteil, daß hier mit verhältnismäßig starker Rußbildung zu rechnen ist.
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Bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird dagegen
die Wärmespaltung der Kohlenwasserstoffe in den heißen Verbrennungsgasen einer aus
wasserstoffreichen Brenngasen und Sauerstoff gebildeten Flamme bewirkt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Flamme in einer senkrechten
Verbrennungskammer, die sich vorzugsweise nach unten erweitert und deren Metallwand
von außen mit Wasser gekühlt wird, von oben nach unten gerichtet. Die durch Wärme
zu spaltenden Kohlenwasserstoffe werden in einer bestimmten Höhe, an der die Verbrennung
derBrenngase praktisch beendet ist, unter einem solchen Winkel eingespritzt, daß
sie praktisch rechtwinklig zur Achse der Flamme eintreten, und die Wärmespaltung
erfolgt dann unter der Wirkung der
hohen Temperatur, die durch den
überhitzten, aus der Verbrennung entstehenden Wasserdampf zugeführt wird.
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Das aus den Pyrolysegasen und den Verbrennungsgasen bestehende gasförmige
Gemisch wird dann in einem bestimmten Abstand von der Einspritzstelle der zu spaltenden
Kohlenwasserstoffe durch quer verlaufende Zerstäubung von Wasser kräftig abgekühlt.
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Wird auf diese Weise gearbeitet, so kann praktisch jede Bildung von
Ruß und Kohlenstoffabscheidungen vermieden werden, da sich, wie festgestellt wurde,
der oxydierende Einfluß des überhitzten Wasserdampfes mehr auf den entstehenden
Kohlenstoff als auf das gebildete Acetylen auswirkt.
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Durch die Kondensation des Wassers, das den Hauptteil der Verbrennungsgase
bildet, können bei dieser Arbeitsweise unter Verwendung der neuen Vorrichtung nach
der Pyrolyse hohe Konzentrationen an Acetylen in dem Gas erhalten werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, die zwei Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht, näher beschrieben, und zwar ist
Fig. la ein Längsschnitt der einen Ausführungsform der Vorrichtung und Fig. 1 b
ein Querschnitt nach X-X der Fig. 1 a, Fig. 2 a ein Längsschnitt der zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung und Fig. 2b ein Querschnitt nach Y-Y der Fig. 2a.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 a und 1b ist mit 4 eine sich nach
unten erweiternde Verbrennungskammer bezeichnet, der durch das Rohr I einer Spritzdüse
3 Brennstoff (Wasserstoff, Methan oder Koksofengas) und durch deren Rohr 2 Sauerstoff
(oder mit Sauerstoff stark angereicherte Luft) in einem für die vollständige Verbrennung
des Brenngases geeigneten Mischungsverhältnis zugeführt und in der das Gemisch gezündet
wird. Die so gebildete Flamme erreicht in dieser Kammer eine gewisse Lange, unterhalb
der die heißen Verbrennungsgase in der Hauptsache aus überhitztem Wasserdampf sowie
zusätzlich aus Stickstoff und Kohlenoxyden bestehen. In einem gewissen Abstand von
der Düse 3, jenseits des Bereiches, in dem die Flamme zu bestehen aufhört, und zwar
in einem Abstande, an welchem sich der Strom der Verbrennungsgase in einem Bereich
günstigster Temperatur von beispielsweise 2000° befindet, ist an dem Leitungsrohr
5 der Verbrennungsgase ein Hohlring 6 angeordnet, durch den durch eine Anzahl von
Düsen 7, die zu den Offnungen 7a führen, der durch Wärme zu spaltende und dem genannten
Zerteiler 6 durch das Rohr 8 zugeführte gasförmige oder flüssige (vorzugsweise in
sehr fein zerteiltem Zustand) Kohlenwasserstoff rechtwinklig zur Strömung der Verbrennungsgase
eingespritzt wird. Das innige Gemisch aus den Verbrennungsgasen und den Spaltprodukten
wird dann in einem bestimmten Abstande von der Spaltzone plötzlich abgekühlt, indem
quer zur Strömung der Gase durch den Zerstäuber 9 kaltes Wasser eingespritzt wird.
Um die Metallwände der Verbrennungskammer 4 und des Leitungsrohres 5 der Verbrennungsgase
gegen die Wirkungen der Wärme zu schiitzen, sind diese Teile der Vorrichtung durch
einen Wassermantel 10 umschlossen, der sich bis über die stromabwärts der Verteilungsvorrichtung
6 liegende Spaltzone hinaus erstreckt. Durch den Wasserumlauf um die Metallwände
der Verbrennungskammer und der Leitung der Verbrennungs-und Pyrolysegase werden
nicht nur diese Wandungen gegen die schädlichen Wirkungen der durch die Verbrennung
frei gewordenen Wärme geschützt, sondern es werden auch etwaige katalytische Wirkungen
des Metalls der Wandungen auf die sich im Umsatz befindenden Gase verhindert oder
wenigstens stark verringert.
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Die Fig. 1 b veranschaulicht die um die Rohrleitung 5 der Verbrennungsgase
vorgesehene Anordnung der Düsen7, durch welche der durch Wärme zu spaltende und
durch die Leitung 8 dem Hohlring 6 zugeführte Kohlenwasserstoff aus letzterem den
Öffnungen 7,, zugeführt wird, die in die Spaltzone einmünden. Diese Düsen 7 werden
zweckmäßig so gerichtet, daß sie ein Einströmen der zu spaltenden Kohlenwasserstoffe
im rechten Winkel zur Richtung der Verbrennungsgase ermöglichen.
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Nach einer Abänderung, die besonders vorteilhaft für den Bau von
technischen Ofen großer Leistung ist, wird die Reaktionszone, in der die zu spaltenden
Kohlenwasserstoffe in die heißen Verbrennungsgase der Flamme eingespritzt werden,
durch einen ringförmigen Raum gebildet, dessen Außen-und Innenwandung längs ihrer
Peripherie je mit einer Reihe von gegeneinandergerichteten Verteilungsöffnungen
versehen ist.
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Werden so rechtwinklig zu den Verbrennungsgasen die Strahlen der
zu spaltenden Kohlenwasserstoffe gegeneinandergerichtet, so wird durch Zusammentreffen
der Gasströme, die gleichzeitig aus drei verschiedenen Richtungen ankommen, ein
einwandfreies Gemisch der miteinander reagierenden Gase erzielt. Die Ausführungsform
dieser zweiteiligen Verteilungsvorrichtung ist in den Fig. 2a und 2b dargestellt,
in welchen die Bezugszeichen 1 bis 10 dieselben Bedeutungen haben wie in den Fig.
la und Ib. Bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung wird jedoch ein Teil der zu
verarbeitenden Kohlenwasserstoffe, der durch eine Leitung 8'einem in der Mitte angeordneten
Verteiler 6'zugeführt wird, der mit radialen, zu den Öffnungen 7d verlaufenden Diisen
7' ausgestattet ist, in die Spaltzone im umgekehrten Sinne zu den Kohlenwasserstoffen
eingeblasen, die in diese durch den ringförmigen äußeren Verteiler eingeführt werden.
Ebenso wie alle anderen Teile der Vorrichtung, die den hohen Temperaturen der Flamme
und/oder der Verbrennungsgase ausgesetzt sind, sind auch der mittlere Verteiler
6'und seine Zubehörteile mit einem Kühlsystem für den Umlauf von Wasser ausgestattet.
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Der Abstand zwischen einerseits der Einspritzdüse 3 und dem Verteiler
6 des zu spaltenden Kohlenwasserstoffes und andererseits diesem Verteiler 6 und
dem Zerstäuber 9 hängt offensichtlich von zahlreichen Faktoren ab, wie unter anderem
der Größe der Vorrichtung, der Art der Brennstoffe und der Verbrennungsgase sowie,
der zu spaltenden Kohlenwasserstoffe, dem Durchsatz, dem Einspritzdruck und der
Einspritztemperatur dieser verschiedenen Gase.
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Diese Abstände lassen sich in jedem besonderen Falle empirisch ermitteln,
so daß die Vorrichtung entsprechend gebaut und eingerichtet werden kann. Um indessen
ein und dieselbe Vorrichtung leicht verschiedenen Arbeitsbedingungen anpassen zu
können, kann man die verschiedenen Teile der Vorrichtung auch so anordnen, daß beispielsweise
die Verteilungsvorrichtung 6 für den zu spaltenden Kohlenwasserstoff feststeht,
aber die Einspritzdüse 3 und der Zerstäuber 9 verstellbar sind, so daß deren Stellungen
längs der Achse der Vorrichtung einreguliert werden können.
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Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen die Wärmespaltung von
verschiedenen gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen unter Verwendung der
beschriebenen Vorrichtungen.
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Beispiel 1 Wärmespaltung einer Methanfraktion Die Flamme wurde erzeugt,
indem die Düse 3 mit einem Gemisch aus 57 m3/Stunde Koksofengas und 59 m3/ Stunde
Sauerstoff gespeist wurde. In den Verteiler
wurden 110 m3/Stunde
eines methanreichen Gases geschickt, und es wurden 213 m3/Stunde eines Gemisches
aus Pyrolyse-und Verbrennungsgas erhalten. Die Gase hatten vor und nach der Verbrennung
die in der nachstehenden Tabelle angegebene Zusammensetzung in Volumprozent.
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Tabelle I
| CH4 C2H2 C2H4 O2 CO CO2 H2 N2 |
| Rohgas........................... 76,8 - 2,4 0,8 8,4 - 5,4
6,2 |
| Pyrolysegas...................... 24,0 3,4 0,8 0,2 23,4 5,0
36,6 6,6 |
Beispiel 2 Wärmespaltung einer Äthylenfraktion Die Flamme wurde aus 58 m3/Stunde
Koksofengas und 64 ms/Stunde Sauerstoff erzeugt ; 113 m3/Stunde einer
Äthylenfraktion
ergaben 251 m3/Stunde eines Gemisches aus Pyrolyse-und Verbrennungsgas. Die Zusammensetzung
der Gase (in Volumprozent) vor und nach der Wärmespaltung ist in der nachstehenden
Tabelle II angegeben.
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Tabelle II
| CH4 C2H5 C2H2 C2H4 O2 CO CO2 H2 N2 |
| Rohgas........................... 43,2 12,6 1,6 35,80,8 0,6
6,4 1,2 3,8 |
| Pyrolysegas...................... 14,2 1,0 9,4 6,0 0,4 21,2
5,2 37,0 5,6 |
Beispiel 3 Indem die Flamme mit Koksofengas unter denselben Zufuhrbedingungen wie
in den vorausgehenden Beispielen gespeist und durch Zerstäubung 801/Stunde Gasöl
eingespritzt wurden, wurden 180 m3/Stunde Pyrolysegas der nachstehend angegebenen
Zusammensetzung (in Volumprozent) erhalten.
| CH, C2H6 C2H2 C2H4 O2 CO CO2 H2 N2 |
| 4, 4 0, 6 1 7, 4 1 3, 2 0, 2 33, 0 4, 4 43, 6 3, 6 |