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Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung
von ungesättigten Kohlenwasserstoffen aus anderen gesättigten oder ungesättigten
Kohlenwasserstoffen durch Wärmespaltung, z. B. zur Erzeugung von Acetylen aus Methan.
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Es sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Acetylen durch partielle
Oxydation gesättigter Kohlenwasserstoffe bekannt, aber die in diesen Verfahren vorgesehenen
Betriebsbedingungen können den Zerfall eines wesentlichen Teiles des gebildeten
Acetylens nicht verhindern, und die Ausbeuten sind daher unbefriedigend.
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In einem bekannten Verfahren wird ein nichtstöchiometrisches Gemisch
eines vorerhitzten gasförmigen Kohlenwasserstoffes (Erdgas) mit Sauerstoff durch
eine mit vielen Öffnungen versehene Platte geleitet und dort entzündet, wobei die
Platte als Flammenhalter dient. Die heißen, acetylenhaltigen Verbrennungsprodukte
werden schnell durch Wasser abgekühlt, und das Acetylen wird dann von den anderen
Verbrennungsprodukten abgetrennt. Dieses bekannte Verfahren verwendet während des
Mischens eine Strömungsgeschwindigkeit der Gase von ungefähr 90 m/Sek. Die bei seiner
Durchführung auftretenden Schwierigkeiten bestehen in Vorzündungen, Verstopfung
der tfflnungen der Platte (Flammenhalter) und ungleichmäßigem Ablauf der Vorgänge
im allgemeinen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von ungesättigten
Kohlenwasserstoffen aus gesättigten oder anderen ungesättigten Kohlenwasserstoffen,
bei dem ein sich schnell bewegender vorerhitzter Strom des gesättigten oder ungesättigten
Kohlenwasserstoffes in inniger Mischung mit einem sich schnell bewegenden Strom
heißer gasförmiger Verbrennungsprodukte pyrolysiert wird und das unter Verwendung
der noch weiter unten näher beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden soll,
ist nun dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Ausbeute an Acetylen ein vorerhitzter
Strom gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoffe bei einer Temperatur von
wenigstens 600° C mit einer Geschwindigkeit von mehr als 0, 5 Mach in einen Strom
heißer gasförmiger Verbrennungsprodukte, der eine Temperatur von wenigstens, 600°
C und eine Geschwindigkeit von wenigstens 0, 5 Mach besitzt, eingespritzt wird,
wobei das erhaltene pyrolysierte Material innerhalb von 4 Millisekunden nach der
Einspritzung abgeschreckt wird. Das Oxydationsmittel und der fließbare Brennstoff
(zur Herstellung der gasförmigen Verbrennungsprodukte) sollen dabei etwa in stöchiometrischen
Verhältnissen stehen, und deren Geschwindigkeit soll vorzugsweise etwa 1, 0 Mach
betragen. Etwa ebenso groß soll vorzugsweise die Geschwindigkeit der Ströme des
Ver-
brennungsproduktes und des zu pyrolysierenden Kohlenwasserstoffes in der Verbrennungszone
sein.
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Die Vorerhitzung der Gase vor der Einführung in den Brenner kann bis
900° C betragen.
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Unter dem hier gebrauchten Ausdruck » Mach « wird das Verhältnis
der linearen Geschwindigkeit des Gasgemisches zur Schallgeschwindigkeit im gleichen
Gemisch und bei gleicher Temperatur verstanden. Für ein 2 : 1-Gemisch aus CH4 und
02 bei 800° C entspricht eine Machzahl von 0, 5 einer Geschwindigkeit von etwa 305
m/Sek.
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In den Zeichnungen ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt.
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Darin zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Brenner, Fig. 2 eine
schematische Darstellung der Vorerhitzer, des Brenners, der Reaktionszone und der
Abschreckeinrichtung des Systems, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen
Ausführungsform, bei'der die Verbennungsprodukte der Wärmespaltungsreaktion wieder
in die erste
Reaktionszone (Verbrennungszone) zurückgeführt werden.
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In der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 wird ein Strom eines Oxydationsmittels,
z. B. gasförmiger Sauerstoff, durch eine Leitung 10 einem Erhitzer 12 zugeführt,
in dem er auf ungefähr 600° C vorerhitzt wird. Der vorerhitzte Gasstrom gelangt
durch die Leitung 14 in den Brenner 16. Gleichzeitig wird ein Strom eines gasförmigen
Brennstoffes durch die Leitung 18 dem Erhitzer 20 zugeführt, in dem er auf ungefähr
900° C vorerhitzt wird, worauf er durch die Leitung 22 in den Brenner 16 gelangt.
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Der Brenner 16 besteht aus einem hohlen, zylindrischen äußeren Gehäuseoberteil
24, das Einlasse 14 bzw. 22 für das Oxydationsmittel und den Brenristoff besitzt.
Der innere, zylindrische Injektorteil 30 liegt im Gehäuseoberteil 24 und bewirkt
die Ineinanderführung der Ströme von Oxydationsmittel und Brennstoff.
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Der vorerhitzte Brennstoffstrom, der in den Einlaß 22 für den Brennstoff
eintritt, gelangt von dort in denringförmigen Raum 32 und fließt dann durch den
langgestreckten, im Injektorteil 30 nach unten verlaufenden ringförmigen Durchlaß
34 ; aus diesem tritt das Gas durch eine Reihe radial verlaufender Heizgasmischdurchlässe
36, die sich in der unteren, kegelstumpfförmig ausgebildeten Fläche 38 des Injektors
30 befinden. Gleichzeitig hiermit fließt der vorerhitzte Sauerstoffstrom, der durch
den SauerstoffeinlaB 14 eintritt, durch den ringförmigen Raum 40 zwischen dem Injektor
30 und äußerem Gehäuse24 und dann nach innen durch den konisch geformten Ring 42,
der an den Ausgängen der in ihn mündenden Heizgasmischdurchlässe 36 ungefähr senkrecht
zu diesen verläuft. Das Vermischen der beiden Gasströme beginnt mit hoher Geschwindigkeit
und wird fortgesetzt, bis das Gemisch in die erste Reaktionszone 44 (Verbrennungszone)
des zweistufigen Reaktors eintritt. Dort wird der Verbrennungsvorgang eingeleitet
und im wesentlichen vollendet.
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Aus konstruktiven und fabrikationstechnischen Gründen kann es unter
Umständen günstiger sein, das größere Gasvolumen durch den ringförmigen Durchlaß
42 zuzuführen ; dies bedeutet, daß für gewisse Kombinationen von Brennstoffen und
Oxydationsmitteln der Brennstoff durch den ringförmigen Durchlaß 42 und das Oxydationsmittel
durch die Mischdurchlässe 36 zugeführt werden kann.
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Die erste Reaktionszone besteht aus einer langgestreckten, sich langsam
in der Stromrichtung nach unten erweiternden Kammer 44. Die Verbrennung des Brennstoff-und
Oxydationsmittelgemisches erfolgt in der Verbrennungszone 44, und die heißen, mit
ungefährer Schallgeschwindigkeit strömenden Verbrennungsprodukte werden in eine
Reaktionszone eingeleitet, die aus einer zylinderförmigen Kammer 46 besteht. In
der Nähe des Austrittsendes der Kammer 46 wird ein vorerhitzter Strom der zu verarbeitenden
kohlenwasserstoffhaltigen Gase in den Strom der heißen Verbrennungsprodukte eingeführt,
und zwar durch die Durchlässe 54, die mit der Zuführung 50 für das zu verarbeitende
Mittel über die ringförmige Kammer 52 in Verbindung stehen.
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Nach der Einführung des zu verarbeitenden Mittels in den hochbeschleunigten,
heißen Strom der Verbrennungsprodukte, die aus der Verbrennungszone lcommen, erfolgt
die Wärmespaltung dieses Mittels in einer Zeitspanne der Größenordnung von 1 bis
4 Millisekunden. Die ausströmenden Gase werden dann in eine Abschreckzone übergeführt,
in der ihre Temperatur
unter die Zerfalltemperatur des Acetylens erniedrigt wird,
indem sie mit versprühtem Wasser 56, einem kalten Gasstrom oder einem anderen geeigneten
Kühlmittel abgekühlt werden. Die auf diese Weise abgekühlten Reaktionsprodukte werden
dann einer (nicht gezeichneten) Sammelvorrichtung zugeführt.
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Die Zündung des Brenners kann dadurch bewirkt werden, daß bei stark
herabgesetztem Gasdruck in der ersten Stufe und ohne daß eine Zuführung des zu verarbeitenden
Mittels erfolgt, eine Flamme an den Auslaß des Brenners gehalten wird. Hierdurch
tritt ein Rückschlagen der Flamme bis in die Mischkammer ein, wonach die Drücke
der verschiedenen zugeführten Gase auf die normalen Betriebswerte heraufgesetzt
werden.
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Der Brenner 16 ist mit einem Kühlsystem ausgerüstet, durch das ein
Kühlmittel, z. B. Wasser, zirkulieren kann. Ein Kühlmittel tritt durch das Einlaßrohr
60, das konzentrisch innerhalb der Hülse 62 des Injektors 31 sitzt, ein und durchfließt
den Injektor über den ringförmigen Raum, der zwischen dem Rohr 60 und der äußeren
Hülse 62 gebildet wird, und fließt schließlich durch das Auslaßrohr 64 wieder ab.
Ein zweiter Kühlmittelstrom tritt durch das EinlaBrohr 68 in den unteren Brennerteil
66 ein, der die Verbrennungszone 44 enthält, und fließt durch die in der Längsrichtung
verlaufende ringförmige Kammer 70, die dazu dient, die Wände der Verbrennungszone
44 zu kühlen. tuber die Durchlässe 72, die ebenfalls in der Längsrichtung verlaufende
ringförmige Kammer 74 und das Auslaßrohr 76 fließt das Kühlmittel dann wieder ab.
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Die Teile 24 und 66 des Brenners 16 besitzen Flanschen 78 und 80,
die durch Bolzen 82 zusammengehalten werden, so daß ein Auseinandernehmen der Einzelteile
des Brenners zum Zwecke der Reinigung möglich ist.
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Vorerhitzter Sauerstoff und Heizgas werden dem Brenner in ungefähr
stöchiometrischem Verhältnis zugeführt, so daß eine im wesentlichen vollständige
Verbrennung in der Verbrennungszone eintritt und heiße, praktisch sauerstofffreie
Verbrennungsgase aus der Verbrennungszone in die Reaktionszone gelangen, in der
die Wärmespaltung des Kohlenwasserstoffes vor sich geht. Zur Erzielung von Schallgeschwindigkeit
oder ungefährer Schallgeschwindigkeit der aus dem Heizgas und dem Oxydationsmittel
gebildeten Teilströme und des Gasgemisches während des Mischvorganges und bei Einführung
des Gemisches in die Verbrennungszone ist eine sorgfältige Regulierung des Gasdrucks
an verschiedenen Stellen des Brenners nötig.
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So hat es sich z. B. herausgestellt, daß das Verhältnis des Einlaß
drucks zum AuslaBdruck an den Heizgasdurchlässen 36 im Injektor in der Größenordnung
von etwa 2 : 1 liegen muß, damit der Austritt des Heizgases aus diesen Durchlässen
mit ungefährer Schallgeschwindigkeit vor sich geht. Weiterhin ist es nötig, das
Verhältnis von Einlaß-zum Auslaßdruck am ringförmigen Durchlaß 42 für den Sauerstoff
ebenfalls auf etwa 2 : 1 einzustellen, damit das Gasgemisch mit Schallgeschwindigkeit
oder ungefährer Schallgeschwindigkeit in die Verbrennungszone 44 eintritt.
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Es hat sich gezeigt, daß eine genügend innige Mischung der Gase beim
Durchgang durch die Verbrennungszone erzielt wird, um die benötigte hohe Verbrennungsgeschwindigkeit
aufrechtzuerhalten, wenn die obengenannten Bedingungen bei der Mischung erfüllt
sind. Weiterhin vermindert die hohe Geschwindigkeit der Gase während des Mischvorganges,
der Verbrennung und der Wärmespaltung die
Durchlaufzeit der Gase
im Brenner (während der ein Wärmeverlust durch die Wände des Brenners eintritt)
beträchtlich und gestattet so ein schnelles Abschrecken der Pyrolyseprodukte, bevor
ein wesentlicher Zerfall des gebildeten Acetylens eintreten kann. Schließlich bringt
die erfindungsgemäße Verwendung hoher Geschwindigkeiten während des Mischens, der
Verbrennung und der Wärmespaltung den Vorteil mit sich, daß in einer vorgegebenen
Vorrichtung weit größere Mengen des zu behandelnden Mittels pro Zeiteinheit verarbeitet
werden können, als es bei den früheren, niedrige Gasgeschwindigkeit benutzenden
Verfahren möglich war.
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Nach Austreten des Stromes der heißen Verbrennungsprodukte aus dem
Brenner 16 und dem Einspritzen des zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffes in den
Fluß der heißen Verbrennungsgase beginnt die Wärmespaltung. Auch in der Wärmespaltungszone
des Reaktors bewegen sich die Gase mit ungefährer Schallgeschwindigkeit vorwärts,
und die genaue Lage der Stelle, an der das Abschrecken vorgenommen werden muß, um
die höchste Ausbeute an Acetylen zu erhalten, ist leicht auffindbar.
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Auch mit der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann
das oben beschriebene Verfahren durchgeführt werden, zusätzlich aber ist eine Trennvorrichtung
90 und eine Rückzuführungsvorrichtung 92 vorgesehen, durch die die entstandenen
Reaktionsprodukte (wie z. B. C 02, H2, C O, C H4 und gemischte Olefine, jedoch mit
Ausnahme von Acetylen) wieder der ersten Zone (Verbrennungszone) des Reaktors zurückgeführt
werden könen. Diese Gase werden dort mit dem Oxydationsmittel gemischt und verbrannt,
so daß nach Erreichen eines Gleichgewichtszustandes im Kreislauf der ersten Stufe
nur ein Oxydationsmittel zugeführt werden muß, während in die zweite Stufe nur ein
Kohlenwasserstoff, wie z. B. Methan, eingeführt wird. Natürlich muß bis zur Erreichung
des Gleichgewichtszustandes im Kreislauf Brennstoff, z. B. Methan, durch den Einlaß
93 zugeführt und in der Verbrennungsstufe verbrannt werden, um den Kreislauf einzuleiten.
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Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung von Methan als umzusetzendem
Kohlenwasserstoff die Reaktionsprodukte eine genügend große Menge brennbarer Bestandteile
(außer C2H2) enthalten, so daß nicht allein genügend Riickfiihrungsbrennstoff zur
Speisung der Verbrennungszone, sondern auch noch zur Speisung der Vorerhitzer vorhanden
ist.
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Die Reaktionsprodukte der Wärmespaltungsreaktion werden nach dem
Abschrecken mit Lösungsmitteln behandelt, um die einzelnen Bestandteile voneinander
zu trennen. Darauf wird das Acetylen einer Sammelvorrichtung zugeführt, und die
anderen brennbaren Bestandteile werden durch einen Vorerhitzer 94 geschickt und
erneut der ersten Stufe zugeführt. Das Wasser und die Abfallprodukte werden vor
der Trenneinrichtung aus dem Reaktor ausgeschieden.
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Bei einer hier als Beispiel aufgeführten Anwendung des Herstellungsprozesses
der Erfindung wurden stündlich 90, 5 cbm auf 600° C vorerhitztes und unter einem
Druck von 4, 8 kg/cm stehendes Methan und 178, 5 cbm vorerhitzter und unter einem
Druck von 2, 7 kg/cm2 stehender Sauerstoff einem Reaktor des in der Zeichnung dargestellten
Typs zugeführt und in ihm verbrannt. Die heißen Verbrennungsprodukte wurden dann
pro Stunde mit 192 cbm auf 850° C vorerhitztem und unter einem Druck von 4, 8 kg/cm2
stehendem Methan gemischt, um die Wärmespaltungs-
reaktion auszuführen. Die gasförmigen
Reaktionsprodukte wurden innerhalb von ungefähr 4 Millisekunden abgeschreckt. Die
getrockneten Produkte hatten folgende Zusammensetzung : Volumprozent C2 H2............................
7, 4 C02... 4, 2 Olefine........................... 0, 0 02...............................
0, 0 H2............................... 57, 6 CO.............................. 25,
4 CH4............................. 4, 4 N2 ....................................
1,0 Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren die
Verwendung eines beliebigen Brennstoffes in der Verbrennungsstufe gestattet und
nicht auf die Verwendung des gleichen Brennstoffes beschränkt ist, der in der Wärmespaltung
verarbeitet wird.
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So wurden z. B. bei einem Herstellungsvorgang dieser Art stündlich
82 cbm Kohlenmonoxyd und 173 cbm Wasserstoff, die auf 435° C vorerhitzt waren und
unter einem Druck von 2, 7 kg/cm2 standen, mit stündlich 127 cbm Saustoff, der eine
Temperatur von 5° C hatte und unter einem Druck von 3, 2 kg/cm2 stand, gemischt
und in der Verbrennungszone eines Reaktors der in der Zeichnung dargestellten Art
verbrannt. Der Vorerhitzer war während dieses Versuchs nicht in Tätigkeit.
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In die heißen Verbrennungsgase, die mit ungefährer Schallgeschwindigkeit
den Reaktor durchströmten, wurden 198 cbm Methan mit ungefährer Schallgeschwindigkeit
eingeführt, wobei dieses Gas auf 850° C vorerhitzt war und unter einem Druck von
4, 4kg/cm2 stand. Die gasförmigen Produkte wurden nach ungefähr 4 Millisekunden
abgeschreckt. Das getrocknete Gasgemisch hatte folgende Zusammensetzung : Volumprozent
C2H2 7, 3 C02............................. 5, 6 Olefine...........................
0, 1 02............................... 0, 0 H2............................... 52,
6 CO.............................. 22, 4 C H4............................. 11, 0
N2............................... 1, 0 Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Acetylen durch Wärmespaltung von Kohlenwasserstoffen wurden
gasförmige Reaktionsprodukte erhalten, die im trockenen Zustand bis zu 7 Volumprozent
Acetylen enthielten und wobei Umwandlungen bis zu 40°/o des gesamten im Methan enthaltenen
Kohlenstoffes erzielt wurden. Außerdem wurde das Verfahren mit Erfolg zur Herstellung
von Acetylen aus Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht angewandt.
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Die nachstehende Tabelle I enthält die Angaben und Werte der Versuchsbedingungen
und der Ergebnisse einer Versuchsreihe, in der das erfindungsgemäße Verfahren auf
andere Kohlenwasserstoffe als Methan angewendet wurde.
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Tabelle I
| Propan Isobuten Isobuten Isobutan Isobutan |
| Vorerhitzertemperaturen, ° C |
| Wasserstoff ................................... - - - 50 50 |
| Sauerstoff .................................... - - - 50 50 |
| Zu spaltender Stoff ........................... 65 65 65 75
75 |
| Erste Stufe |
| WasserstofffluB, cbm/Std...................... 9, 51 9, 51
9, 51 9, 51 9, 51 |
| SauerstofffluB, cbm/Std....................... 4, 68 4, 68
4, 68 4, 66 4, 21 |
| Geschätzte Temperaturen, ° C 2400 2400 2400 2400 2400 |
| Zweite Stufe |
| Fluß des zu spaltenden Gases, cbm/Std......... 1, 98 3, 55
5, 21 1, 62 1, 08 |
| Temperatur am Ausgang...................... 1000 900 850-- |
| Umwandlung pro Durchgang des zu pyrolysieren- |
| den Materials |
| Acetylen 41, 8 19, 7 7, 9 48, 1 36, 8* |
| Propin + Propadien ............................ 1,3 3,6 14,3
1,8 - |
| Äthylen ....................................... 8,0 9,7 5,5
6,4 - |
| 0, 3 4, 2 4, 5 O |
| Ruß (als Kohlenstoff gewertet)................ 12, 2 24, 0
14, 4 0 15, 0* * |
| Sauerstoffverbrauch kg O2 pro erzeugtes kg C2 H2 4, 7 8, 2-3,
6 3, 1 |
| Analyse der Reaktionsprodukte, Molprozent |
| Acetylen 14, 7 13, 0 6, 6 15, 7 13, 7 |
| Propin + Propadien ............................ 0,3 1,6 8,0
0,4 - |
| Äthylen ....................................... 2,8 6,4 4,6
2,1 - |
| Propylen 0, 1 2, 8 3, 8 0, 0- |
| Methan 11, 7 30, 8 27, 9 9, 4 12, 3 |
| Gesamte 2 |
| Andere Kohlenwasserstoffe................... 1, 0 1, 2 12,
6*** 1, 0- |
| Wasserstoff.................................. 59, 5 37, 3 30,
8 56, 6 54, 0 |
| Kohlenmonoxyd 9, 1 6, 4 5, 2 12, 8 13, 1 |
| Kohlendioxyd 0, 8 0, 5 0, 5 2, 0 2, 1 |
| Stickstoff + Argon ........................... - - - - 0,6 |
| 100, 100,0 100,0 100,0 100,0 |
* Basiert auf der Bestimmung der gesamten Acetylene durch die Silbernitratmethode.
Die Werte ohne Kennzeichnung stammen aus Massenspektrometeranalysen.
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** Schätzwerte, die auf Grund direkter Beobachtung der Rußbildung
während der einzelnen Versuche eingesetzt wurden.
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'-'Diese Zahl enthält Zahl 2 °/o unverandertes Isobutylen.
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Bei einer Versuchsreihe wurden zwei Ansätze unter praktisch gleichen
Bedingungen durchgeführt, wobei einmal Naturgas und das andere Mal Methan verarbeitet
wurde, um festzustellen, wie sich die Ergebnisse zueinander verhalten. Das Naturgas
enthielt 85 Volumprozent CH4, 10°/o an gesättigten Kohlenwasserstoffen mit C2 bis
C4 im Molekül und 5% inerte Bestandteile. Die untenstehende Tabelle II führt die
Versuchsbedingungen auf, unter denen gearbeitet wurde, und enthält auch Angaben
liber die Ausbeuten an Acetylen, die bei der Verarbeitung des Naturgases 7, 1°/o
und für Methan 6, 8 Volumprozent betrug. Die für die Vorerhitzung aufgewendete Wärme
machte nur 6 bis 7% des gesamten Wärmeverbrauches aus.
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Vorzugsweise soll jedoch die Vorerhitzung mehr als 20 °/o und bis
zu 40°/o der insgesamt umgesetzten Wärme betragen.
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Bei einem anderen Versuch wurde eine Sauerstoff-Wasserstoff-Verbrennung
angewandt, um in der zweiten Stufe eine Wärmespaltung von Naturgas
Tabelle II
| Betriebsbedingungen Naturgas Methan |
| (aus Flasdien |
| Verbrennungsstufe |
| Heizgas, cbm/Std....... 2, 89 2, 89 |
| Vorheiztemperatur, ° C.. 270 254 |
| Sauerstoff, cbm/Std..... 5, 62 5, 62 |
| Vorheiztemperatur, ° C.. 181 190 |
| Reaktorstufe |
| Zu spaltendes Gas, |
| cbm/Std.............. 5, 68 5, 68 |
| Vorheiztemperatur, ° C 170 170 |
| Acetylen im getrockneten |
| Gas nach dem Abschrek- |
| ken, Volumprozent...... 7, 1 6, 8 |
durchzuführen. Es wurden 12, 4 cbm auf 528° C vorerhitzten Wasserstoffes
und 5, 68 cbm auf 515° C vorerhitzten Sauerstoffes in der Verbrennungsstufe eines
zweistufigen Reaktors verbrannt und die heißen Verbrennungsgase mit 6 cbm auf 690°
C vorerhitzten Naturgases in der Reaktionsstufe zusammengeführt Nach dem Abschrecken
hatte das aus der Reaktion hervorgehende Gas die folgende Zusammensetzung : Bestandteil
Volumprozent C2H2 .................................... 9,17 °2 X...... 0, 2 02...............................
0 CO 9, 1 C H4. 11, 7 Gesamtmenge des ungesättigten Kohlenwasserstoffes (einschließlich
C2 H2)........................ 10, 4 Inerte Stoffe......... 2, 6 Der im folgenden
beschriebene Versuch beweist die Brauchbarkeit des Rückführungssystems, bei dem
die Reaktionsprodukte nach Entfernung des Acetylens als Brennstoff für die erste
Stufe des zweistufigen Verfahrens verwendet werden. Es wurden stündlich 5, 67 cbm
Wasserstoff, 2, 18 cbm Kohlenmonoxyd und 0, 88 cbm Naturgas, sämtlich auf 400° C
vorerhitzt, mit 5, 38 cbm auf 550° C vorerhitztem Sauerstoff gemischt und in der
ersten Stufe des in Fig. 1 gezeigten, zweistufigen Reaktors verbrannt. Die Verbrennungsprodukte
wurden mit stündlich 5, 7 cbm auf 705° C vorerhitztem Naturgas gemischt und ergaben
ein Gas, das 5, 8 Volumprozent Acetylen enthielt, was einer Umwandlung von 28, 5
ouzo des im umzusetzenden Ausgangsgas enthaltenen Kohlenstoffes in Acetylen entspricht.
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Gegebenenfalls kann in der ersten Verbrennungsstufe Wasserdampf zur
Verdünnung zugesetzt werden. Dies hat eine Erniedrigung der Spitzentemperatur zur
Folge, während es andererseits die Freimachung der maximalen Wärmemenge pro Volumeneinheit
in der ersten Verbrennungsstufe ermöglicht.
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Die Erniedrigung der Temperatur kann unter Umständen wünschenswert
sein, um eine zu starke Beanspruchung des speziellen Auskleidungsmaterials der Verbrennungszone
zu vermeiden.
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Eine Ausbeute von 15, 4 Volumprozent Acetylen wurde bei einem Versuch
erhalten, bei dem die Verbrennung in der ersten Stufe mit einer stündlichen Gasmenge
von 9, 6 cbm auf 270° C vorerhitzten Wasserstoff, 4, 8 cbm auf 300° C vorerhitzten
Sauerstoff und 1, 58 cbm auf 300° C erhitzten Wasserdampf durchgeführt wurde. Das
zur Spaltung benutzte Gas war auf 315° C vorerhitztes Athan, das mit 3, 32 cbm pro
Stunde zugeführt wurde.
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Es wurde weiterhin ein Versuch durchgeführt, bei dem stündlich 9,
6 cbm Athan von 115° C bei einem Druck von 2, 2 kg/cm2 und 4, 15 cbm Sauerstoff
von 200° C bei einem Druck von 5, 8kg/cm2 über einen Rosetten-Mischer gemäß Fig.
1 zugeführt und in der ersten Stufe eines zweistufigen Reaktors verbrannt wurden.
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Die erhaltenen Verbrennungsgase traten mit einem Druck von 9, 5 kg/cm2
in die zweite Stufe des Reaktors ein, in der stündlich eine Menge von 2, 48 cbm
Athan von 2250 C unter einem Druck von 3, 0 kg/cm2 zugeführt und mit den Verbrennungsgasen
gemischt wurde.
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Die Reaktionsprodukte wurden dann abgeschreckt, und zwar durch Einleitung
in eine von außen her durch Wasser gekühlte Kammer, die gekühltes Gas
enthielt. Das
getrocknete Gas wurde analysiert und enthielt 13, 8 Volumprozent Acetylen.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß auch andere Gase als
Acetylen durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden können So können
z. B. erfindungsgemäß Propin und Propadien aus Isobutylen hergestellt werden.
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Bei einem Versuch wurden stündlich 9, 5 cbm Wasserstoff und 4, 67
cbm Sauerstoff in der ersten Stufe verbrannt und dann mit 5, 1 cbm Isobutylen gemischt
und in der zweiten Stufe pyrolysiert. Es wurden die folgenden Umwandlungen, bezogen
auf den Kohlenstoffgehalt des Ausgangsproduktes, erzielt : Reaktionsprodukt °/o
Umwandlung C2 H2................. 7, 9 C3 H4. 14, 3 C2 H4......................
5, 5 C3H6.................... 4, 5 RuB............................. 14, 4 Eine erfindungsgemäße
Vorrichtung, ähnlich der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform, hatte
folgende Abmessungen : Durchmesser der zwölf Heizgasmischdurchlässe 36...........
je 3, 18 mm Breite des ringförmigen Sauerstoffeinlasses 42................... 4,
76 mm Länge des ringförmigen Sauerstoffeinlasses 42 zwischen den Heizgasmischdurchlässen
und dem unteren Ende......................... 14, 3 mm Eingangsdurchmesser der Verbrennungskammer
44................ 22, 2 mm Ausgangsdurchmesser der Verbrennungskammer 44.............
38, 1 mm Länge der Verbrennungskammer 44 149, 2 mm Durchmesser der vier Reaktionsmitteldurchlässe
54.............. 7, 14 mm Länge der Reaktionskammer..... 381 mm Durchmesser der
Reaktionskammer 114, 3 mm Länge der Reaktionsmitteleinlaß zone 46..................
52, 4 mm Es ist zwar bekannt, Acetylen z. B. aus Methan herzustellen, indem man
dieses bei höheren Temperaturen pyrolysiert und für eine schnelle Abkühlung sorgt.
Bei diesen bekannten Verfahren sollen die verwendeten Gasströme auch eine sehr hohe
Geschwindigkeit besitzen. Die bei diesem Verfahren angewendeten Vorrichtungen sind
jedoch von den hierin beanspruch-en verschieden, und es war keineswegs zu erwarten,
daß durch die neuen Vorrichtungen in Verbindung mit den ganz speziellen Verfahrensbedingungen
ungesättigte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Acetylen, in so guten Ausbeuten und
Umwandlungsverhältnissen erhalten werden können.
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Gegenüber tangentialen Mischvorrichtungen besitzen die erfindungsgemäß
verwendeten Rosetten-Mischer, bei denen das Oxydationsmittel und der Brennstoff
in einem praktisch rechten Winkel aufeinanderstoßen, den Vorteil, daß diese Mischvorrichtungen
wirksamer sind und eine geringere Mischflache benötigen als die genannten früher
vorgeschlagenen Mischvorrichtungen. In den Rosetten-Mischern erfolgt der Gasdurchgang
schneller, und die Wände des Brenners werden weniger heiß, da die Geschwindigkeitskomponenten
der Verbrennungsgase nicht in tangentialer, sondern hauptsächlich in axialer Richtung
verlaufen.