DE1040533B

DE1040533B - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen

Info

Publication number: DE1040533B
Application number: DEF17525A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Krause; Dipl-Ing Werner Fischer; Dr Rudolf Wirtz; Dipl-Ing Hartmut Schilken
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1955-05-13
Filing date: 1955-05-13
Publication date: 1958-10-09
Also published as: US2941021A; BE547808A; GB834419A; NL104369C

Description

DEUTSCHES

Bei der Herstellung von Acetylen, Äthylen und höheren Olefinen aus Methan, Äthan oder höheren Kohlenwasserstoffen 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 Rohren überhitzt sind und dadurch verstärkte Koks- und Rußbildung hervorgerufen wird. Außerdem ist das Verfahren auf kleine Rohrdurchmesser beschränkt, da bei großen Durchmessern die Wärmeübertragung von der Wand auf das Gas zu langsam und nur unvollständig vor sich geht. Die Randzonen des Gases werden zu heiß, die der 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 anderen Verfahren wird die Spaltungsenergie direkt zugeführt, indem ein Teil des zu spaltenden Kohlenwaserstoffes mit einem Unterschuß an Sauerstoff in einem Spezialbrenner verbrannt wird und wobei die Verbrennung selbst die Energie für die Pyrolyse des überschüssigen Kohlenwaserstoffs 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, ζ. Β. 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

zur Durchführung chemischer Reaktionen

bei hohen Temperaturen

Anmelder:

Farbwerke Hoechst Aktiengesellschaft

vormals Meister Lucius & Brüning,

Frankfurt/M., Brüningstr. 45

Dr. Walter Krause, Frankfurt/M.-Unterliederbach,

DipL-Ing. Werner Fischer, Bad Soden (Taunus),

Dr. Rudolf Wirtz und Dipl.-Ing. Hartmut Schälken,

Frankfurt/M.-Höchst,
sind als Erfinder genannt worden

die anschließende Gastrennung weniger belastet wird. Es können aber auch alle anderen 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, die Druck und Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches konstant halten, wie dies z. B. bei den Brennern für die unvollständige Verbrennung von Methan oder Erdgas mit Sauerstoff der Fall ist.

Es ist ferner schon ein Verfahren zur pyrolytischen Herstellung von Acetylen beschrieben, bei dem der zu spaltende Kohlenwasserstoff in einer zylindrischen Reaktionskammer, die mit einer keramischen Masse

SSB 657/456

ausgekleidet ist, an der Stirnwand, parallel zur Längsachse der Kammer, in Gas- oder Dampfform eingeführt und an dem entgegengesetzten Auslaßende das gebildete Gasgemisch abgeschreckt und abgezogen wird. Durch mehrere tangentiale öffnungen wird in diese Reaktionskammer ein Gemisch von Brenngas und Oxydationsmitteln zugeführt. Infolge der tangentialen Öffnung bildet sich eine rotierende, schneckenförmige Flamme aus, die als trennende Schicht an der Kammerwand verhindert, daß der zu spaltende Kohlenwasserstoff sich dort unter Rußabscheidung zersetzt. Der Vorgang der Verbrennung des Brenngases und der Krackung des Reaktionsteilnehmers findet bei diesem Verfahren in derselben Kammer statt, wobei sich die Flamme des Brenngases zum großen Teil mit dem Reaktionsgas vermischt und ein Teil des zu spaltenden Kohlenwasserstoffes durch den überschüssigen Sauerstoff verbrannt wird.

Alle diese Nachteile werden durch die Erfindung vermieden, die sich auf eine Brennkammer für pyrolytische Umsetzungen aller Art bezieht, in der Brennstoff und Oxydationsmittel erst in der Flamme so vollständig gemischt werden, daß eine ebenso kurze Flamme wie bei vorgemischter Gaszufuhr entsteht und wobei der Brennstoff und Oxydationsmittel getrennt durch eine oder mehrere tangentiale Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen mit einer Geschwindigkeit, die einer Machzahl von mindestens 0,8 entspricht, vorteilhaft jedoch mit Schallgeschwindigkeit in die Brennkammer eingeführt und verbrannt werden. Die Verbrennung von Brennstoff mit dem Oxydationsmittel erfolgt bei dieser Art der Vermischung und Verwirbelung in der Brennkammer so rasch, daß die sich bildende Flamme auf kürzester Strecke ausgebrannt ist. Infolgedessen ist es möglich, mit größten Brennkammerbelastungen, z.B. 1 Milliardekcal/m³h, zu arbeiten. Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennkammer, daß die gesamte Verbrennung 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.

Es ist ein weiterer Vorteil beim Arbeiten gemäß der Erfindung, daß die mit Flammentemperatur aus der Brennkammer austretenden Rauchgase durch die Verwirbelung in der Brennkammer eine so hohe Turbulenz besitzen, daß die Vermischung mit dem Reaktionsteilnehmer, der radial oder tangential in gleichem oder entgegengesetztem Drehsinn eingeführt wird, praktisch momentan erfolgt und so ein besonders guter Wärmeübergang vom Rauchgas auf die Reaktionsteilnehmer stattfindet, wodurch eine weitgehend vollständige Umsetzung gewährleistet wird. Es kann hierbei 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 Brenn stoff und das Oxydationsmittel können aber auch in eigenen Bohrungskränzen zugeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei der Herstellung von Acetylen und/oder Äthylen und/oder höheren olefinhaltigen Gasen zwischen Flammenende und Einführungsstelle des Reaktionsteilnehmers ein Sekundärgas, vorteilhaft Wasserdampf oder Wasserstoff zuzumischen, um den Anteil an sauerstoffhaltigen Radikalen, Sauerstoffatomen und Sauerstoffmolekülen zu senken. Diese Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn man Brennstoffe verwendet, die sehr hohe Flammen- und Rauchgastemperaturen erzeugen, z. B. Wasserstoff. In

ίο diesem Falle kann das Sekundärgas radial oder tangential in gleichem oder entgegengesetztem Drehsinn in das Rauchgas eingeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brenner führt man Kohlenwasserstoffe gegebenenfalls nach einer Vorwärmung in Gas-, Dampf- oder flüssiger Form entweder radial oder tangential oder auf andere, an sich bekannte Weise ein, um eine möglichst rasche und vollkommene Vermischung 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, die Reaktionskammer, z. B. 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 rein keramisches Material oder mit Keramik ausgekleidetes Metall verwendet werden. Benutzt man eine gekühlte Metallbrennkammer, so kann man die durch da?· Kühlmittel aufgenommene Wärme an anderer Stelle weiterer Verwertung zuführen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Brenners ist in der Zeichnung wiedergegeben.

In die Kammer 1, die aus Metall hergestellt ist und von einem Kühlmittel, z. B. Wasser, umflossen wird, wird durch tangentiale Bohrungen Wasserstoff 2 und 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. Wasserdampf 4 wird radial oder tangential am Ende der Flamme eingefahren. Die Reaktionsteilnehmer, z. B. die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe, werden ebenfalls radial oder tangential 5, wie in Schnitt B gezeigt, eingeführt. Nach kurzer Verweilzeit im Reaktor 6, die durch dessen Dimension gegeben ist, werden die Gase durch ein Kühlmittel, z. B. feinverteiltes Wasser, 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

Patentansprüche·

1. Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen, insbesondere zur Herstellung von Acetylen und/oder Äthylen, durch Erzeugung von sehr heißen Rauchgasen durch kontinuierliche Verbrennung von Brennstoff und gasförmigem Oxydationsmittel in einer Brennkammer und anschließendes Zumischen eines Reaktionsteilnehmers, z. B. eines Kohlenwasserstoffs, zu den ausgebrannten Verbrennungsgasen und anschließendes Abschrecken der nach kurzer Reaktionszeit gebildeten Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauchgase erzeugt werden, indem Brennstoff und Oxydationsmittel getrennt durch eine oder mehrere tangentiale Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen mit einer Geschwin-

digkeit, die einer Machzahl von mindestens 0,8 entspricht, vorteilhaft jedoch mit Schallgeschwindigkeit in die Brennkammer eingeführt und verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsteilnehmer, z. B. Kohlenwasserstoff, oder gasdampfförmig radial oder tangential mit dem Rauchgas gleichsinnig oder im entgegengesetzten Drehsinn eingeleitet wird. ίο

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, 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 Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zumischung des Reaktionsteilnehmers den Rauchgasen ein Sekundärgas, vorteilhaft Wasserdampf oder Wasserstoff, zugesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsteilnehmer in die Rauchgase ein Kohlenwasserstoff in flüssiger Dampf- oder Gasform eingeführt und zu Acetylen oder Äthylen umgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit mindestens 1 Milliarde Kilokalorien pro Kubikmeter und Stunde belastet wird.

7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer verwendet wird, die zur Zuführung des Brennstoffes und des Oxydationsmittels tangential angeordnete Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen aufweist, wobei die Zuführungen des Brennstoffes vorteilhaft von denen für das Oxydationsmittel umgeben sind, und umgekehrt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Reaktionsteilnehmer, z. B. einen Kohlenwasserstoff, radiale oder in gleichsinnig oder entgegengesetztem Sinn angebrachte, tangential verlaufende Bohrungen angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Brennraum und der Einführungsstelle des Reaktionsteilnehmers eine Verjüngung, z. B. eine Düse, angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für das Sekundärgas Bohrungen radial oder tangential in beliebigem Drehsinn angebracht sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer aus Metall, keramischem Material oder aus mit keramischem Material ausgekleideten Metall besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsrohr aus mit keramischem Material ausgekleideten Metall besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 377 245;
britische Patentschrift Nr. 709 035.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen