-
Verfahren zum Schutze der Wandungen der Spaltkammern von Öfen zur
thermischen Behandlung von Kohlenwasserstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Schutze der Wandungen der Spaltkammern von Öfen zur thermischen Behandlung von
Kohlenwasserstoffen zwecks Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
-
Es ist bekannt, daß man diese ungesättigten Kohlenwasserstoffe, insbesondere
Acetylen und bzw. oder Athylen oder andere Olefine aus gesättigteren Kohlenwasserstoffen
erzeugen kann, indem man letztere in gasförmigem oder durch Zerstäubung feinzerteiltem
flüssigem Zustand sehr kurze Zeit auf erhöhte Temperaturen erhitzt.
-
Zu diesem Zweck kann man z. B. den als Ausgangsstoff benutzten Kohlenwasserstoff
einer teilweisen Verbrennung unterwerfen oder ihn in heiße Verbrennungsgase einspritzen.
-
Um diese Spaltreaktionen durchzuführen, sind schon zahlreiche Ausführungsformen
von Öfen vorgeschlagen und/oder benutzt worden, aber diese besitzen gewisse Nachteile,
durch die ihre Verwendung in technischem Ausmaße erschwert wird.
-
So müssen sie, insbesondere bedingt durch Kohlenstoffabscheidungen,
die sich auf den Wandungen der Spaltkammer bilden, im Betriebe häufig angehalten
werden, da diese Niederschläge von Zeit zu Zeit entfernt werden müssen, um einen
regelmäßigen Betrieb des Ofens und eine hohe Ausbeute an ungesättigten Kohlenwasserstoffen
zu gewährleisten. Bei Verwendung von Öfen, die ganz oder teilweise aus feuerfesten
Stoffen hergestellt sind, ist ferner auch mit den Schwierigkeiten zu rechnen, die
sich nach einer gewissen Betriebsdauer aus der unvollkommenen Dichtheit der Vorrichtung
ergeben. Andererseits hat aber auch die Verwendung von Metallen Nachteile, und zwar
bedingt durch deren thermische Ausdehnungen und die unerwünschte katalytische Wirkung,
die diese Metalle haben können.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit welchen
in kontinuierlicher Arbeitsweise ungesättigte Kohlenwasserstoffe unter Bedingungen
erzeugt werden können, die unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile zu hohen
Ausbeuten führen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß Spaltkammern mit
metallischen, außen durch Umlauf eines Kühlmittels gekühlten Wandungen benutzt werden
und die innere Oberfläche dieser Wandungen durch fortlaufende periphere Einspritzung
von Dampf, der vom oberen Rand der Wandung der Spaltkammer ausgeht, derart geschützt
wird, daß zunächst längs dieser Oberfläche ein zusammenhängender und homogener Schleier
aus Wasserdampf gebildet, der Wasserdampf dann unter dem Einfluß der durch die Wandungen
ausgeübten Kühlung auf diesen Wandungen kondensiert und ein zusammenhängender und
homogener Wasserschleier gebildet wird, der sich an den Dampfschleier anschließt.
-
Auf diese Weise bildet sich durch Kondensation des Dampfes auf der
kalten Wandung der Wasserschleier von selbst, und man erhält so einen beständigen,
homogenen und zusammenhängenden Film, ohne daß es notwendig ist, besondere mechanische
Vorrichtungen anzuwenden, um eine gleichmäßige Verteilung des Wassers zu gewährleisten.
Die fortschreitende Kondensation des Dampfes längs der kalten Wandung gewährleistet
die Kontinuität des Wasserfilmes, der also dicht unterhalb des oberen Randes der
Wandung der Spaltkammer entsteht und dessen Dicke allmählich zunimmt und am unteren
Ende der Wandung der Spaltkammer ein Maximum erreicht. Andererseits nimmt aber auch
die Menge des Rußes und der Schwerprodukte, die dazu neigen, sich an der Seitenwandung
der Spaltkammer festzusetzen,
in dem Spaltgas mit zunehmendem Abstand
von der Einspritzebene des zu spaltenden Kohlenwasserstoffes zu. Der Wasserschleier
ist somit in jedem Zeitpunkte in. der Lage, die Wandungen durch Mitreißen der Kohleteilchen
und anderer schwerer Stoffe, die sich auf diesen Wandungen abzusetzen vermögen,
zu schützen.
-
Die Erfindung und die durch sie erzielten Vorteile werden an Hand
der schematischen Zeichnung eines Ofens, wie er zum Spalten von Kohlenwasserstoffen
durch deren Einspritzung in heiße Verbrennungsgase benutzt wird, näher beschrieben.
-
Dieser Ofen besteht in seinen wesentlichsten Teilen aus dem Brenner
1, dem Verbrennungsraum 2, dem Spaltraum 3 und den Leitungen 4, 5 und 6 für die
Zufuhr von Brenngas bzw. Sauerstoff und dem zu spaltenden Kohlenwasserstoff. Am
Ende des Spaltraumes befindet sich die Vorrichtung für die plötzliche Abkühlung
der Spaltgase, die aus einem Kranz von Zerstäubern 7 besteht.
-
Der Brenner 1, wie er in der USA.-Patentschrift 3 019 271 des Erfinders
beschrieben ist, besteht aus Stahl, und er besitzt einen runden trapezförmigen Ausschnitt
8, an dessen geneigt verlaufenden Wandungen sich die konzentrischen Ringleitungen
9 und 10 (deren Achsen rechtwinklig zu diesen Wandungen verlaufen) anlegen, die
mit den Leitungen 4 und 5 für die Zufuhr des Brenngases bzw. des Sauerstoffes verbunden
sind. Die Seitenwandungen des ringförmigen Ausschnittes divergieren gegen die Verbrennungskammer
und sind gegenüber der Längsachse symmetrisch in einem Winkel von 45° geneigt, und
sie besitzen eine Anzahl symmetrisch verteilter Bohrungen, durch welche die Ringleitungen
9 und 10 mit der Verbrennungskammer 2 verbunden sind.
-
Der Brenner 1 ist auch mit einem mittig angeordneten, als Dampfverteiler
benutzten Raum 11 versehen, der an die Leitung 12 für die Zufuhr von Dampf angeschlossen
ist und mit dem Verbrennungsraum 2 durch den Ringspalt 13 in Verbindung steht, der
mit Bezug auf die Längsachse des Ofens gegen die Wandung der Verbrennungskammer
in einem Winkel von 35 bis 50° geneigt ist. Am Ende des Brenners ist ein zweiter
Ringspalt 14 vorgesehen, der ebenfalls um 35 bis 50° geneigt ist, aber gegenüber
der Achse der Verbrennungskammer, und er dient zum Einblasen des Dampfes, der durch
die Leitung 15 zugeführt wird.
-
Die Vorrichtung für das Einspritzen des Kohlenwasserstoffes in den
Spaltraum besteht aus einer Anzahl Zerstäuber 16, die symmetrisch auf gleicher Ebene
um die Wandung des Ofens herum verteilt sind und mit der Leitung 6 in Verbindung
stehen, durch welche der Kohlenwasserstoff zugeführt wird.
-
Am Kopf des Spaltraumes 3 befindet sich die Leitung 17 für die Zufuhr
von Dampf, welche in die Kammer 18 einmündet, die mit einer Stau- und Ablenkfläche
19 und einer Leitfläche 20 ausgestattet ist.
-
Die Wandung 21 des Spaltraumes 3 ist außen mit einem Mantel 22 für
den Umlauf eines Kühlmittels umgeben, an den die Leitungen 23 und 24 für
die Zufuhr und die Ableitung dieses Kühlmittels angeschlossen sind.
-
Im normalen Betrieb des Ofens werden durch die Leitungen 4 und 5 und
durch die konzentrischen Ringleitungen 9 und 10 Wasserstoff (oder ein wasserstoffreiches
Gas) und Sauerstoff, die gegebenenfalls auch vorerhitzt sein können, eingeführt.
Diese gasförmigen Reaktionsmittel, deren Austrittsgeschwindigkeiten hoch und deren
Bewegungsgrößen praktisch gleich sind, treffen aus entgegengesetzten Richtungen
unter Bildung eines Winkels von etwa 90° aufeinander, wodurch örtlich eine wirksame
und schnelle Mischung erzielt und ein Kranz kurzer Flammen erhalten wird, deren
Hauptrichtung parallel zur Achse des Verbrennungsraumes verläuft.
-
Der Wasserdampf, der durch die Leitung 12 zugeführt wird, gelangt
in den Hohlraum 11 des Brenners 1, so daß letzterer durch den Dampf gegen
überhitzung geschützt wird. Dieser Dampf wird dann durch den Ringspalt 13 in den
Verbrennungsraum 2 eingeblasen. Ebenso wird der Wasserdampf, der durch die Leitung
15 zugeführt wird, nach dem Durchgang durch den Ringspalt 14 in den Verbrennungsraum
2 eingeblasen. Die beiden Dampfhüllen oder Dampfmäntel treffen unter einem Winkel
von ungefähr 70 bis 100° aufeinander und umschließen vollständig den Flammenkranz.
Diese Dampfhüllen bilden einen thermischen Schleier, durch den die Wandungen des
Verbrennungsraumes 2 gegen die Wirkungen der strahlenden Wärme geschützt werden.
Die Dampfhüllen und die aus den Flammen stammenden Verbrennungsgase vermischen sich
sehr schnell und in homogener Weise, und zwar sowohl in thermischer Hinsicht als
auch hinsichtlich der Zusammensetzung.
-
Dieses Gemisch gelangt dann in den Spaltraum 3, an dessen Kopf der
zu spaltende, vorzugsweise vorgewärmte Kohlenwasserstoff durch die Einspritzvorrichtungen
16 geringen Durchmessers eingespritzt wird, deren Achse in bezug auf die radiale
Richtung einen Winkel von etwa 30° bildet. Auf diese Weise wird aus den heißen Gasen
und dem Kohlenwasserstoff schnell ein inniges Gemisch erhalten und letzteres auf
diese Weise am Eingang des Spaltraumes einem thermischen Schock unterworfen.
-
Durch den Spalt 25, der durch die Umlenkdäche 19 und die ringförmige
Leitfläche 20 begrenzt wird, wird längs der Innenfläche der Wandung 21 des Spaltraumes
Wasserdampf eingeblasen, der durch die Leitung 17 zugeführt wird. Andererseits wird
in dem Mantel 22 ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in Umlauf versetzt, um die
Wandung 21 zu kühlen. Durch diese Kühlwirkung kondensiert sich der am oberen Rande
der Wandung des Spaltraumes 3 einen Schutzschleier bildende Wasserdampf auf der
Wandung und bildet dann einen Wasserschleier. Auf diese Weise wird jede Abscheldung
von Kohle auf der Innenfläche der Wandung 21 vermieden, wodurch ein vollkommen sauberer
Spaltraum aufrechterhalten werden kann.
-
Die erhaltenen gasförmigen Spaltprodukte werden dann plötzlich abgekühlt,
indem durch die Zerstäuber 7 in Querrichtung Wasser eingespritzt wird.
-
Indem so am oberen Teil der Wandung des Spakraumes an Stelle eines
Wasserschleiers zuerst ein Dampfschleier gebildet wird, wird eine übermäßige Kühlung
des unteren. Teiles der Einspritzvorrichtung des Kohlenwasserstoffes vermieden und
praktisch jede Abscheidung von Kohlenstoff verhindert. Außerdem wird die Wärmeausbeute
des gesamten Spaltverfahrens erhöht, indem die Wärmeverluste des vorgewärmten und
in die heißen Verbrennungsgase eingespritzten Kohlenwasserstoffes verringert und
auch die Wärmeverluste des Spaltraumes verkleinert werden. Andererseits wird auch
das Temperatuzgefälle zwisehen
der mutigen Reaktionszone und der
ringförmigen Isolierzone verringert.
-
Beispiel Der in der Zeichnung schematisch veranschaulichte Spaltofen
entspricht in der Ausführung etwa dem in der belgischen Patentschrift 571054 des
Erfinders beschriebenen Ofen.
-
Die Verbrennungskammer 2 hat einen Durchmesser von 140 mm und eine
Höhe von 306 mm. Der Spaltraum 3 hat einen Durchmesser von 160 mm und eine Höhe
von 103 mm. Die metallische Wandung 21 dieses Raumes besteht aus Stahl einer Dicke
von 3 mm.
-
Durch die Leitung 4 werden 260 m3/h (gemessen bei 0° C und 760 mm
Hg) Brenngas und durch die Leitung 5 werden 242 m3/h Sauerstoff (berechnet zu 100%,
und dieses Volumen gemessen bei 0°C und 760 mm Hg) eingeführt. Das Brenngas entzündet
sich in der Verbrennungskammer 2 in Form eines Flammenkranzes, der von einem Dampfschleier
eingeschlossen ist, und dieser Dampf wird durch den Ringspalt 14 in einer Menge
von 41 m3/.h eingeblasen.
-
In die heißen Verbrennungsgase werden durch vierzig Zerstäuber 16
eines Durchmessers von 4,5 mm 7571 Benzin je Stunde eingespritzt, und dieses Benzin
wird mit 143 m3ih Dampf gemischt und auf 620° C vorerhitzt. Durch den Spalt 25 werden
130 m3/h Dampf eingeblasen, während in dem den Spaltraum 3 umschließenden Mantel
22 je Stunde 1,7 m3 Wasser in Umlauf versetzt werden, dessen Temperatur am Zulauf
durch die Leitung 23 etwa 18° C und an der Abzugsstelle durch die Leitung 24 68°
C beträgt.
-
Unter diesen Bedingungen wird ein Spaltgas erhalten, das 7,98 Volumprozent
Acetylen, 16,90 Volumprozent Äthylen und 2 Volumprozent Propyien enthält.
-
Nachdem dieser Spaltofen mehrere Monate fortlaufend in Betrieb genommen
worden war, wurde festgestellt, daß 1. sich kein Niederschlag aus kohlenstoffhaltigen
Massen längs der inneren Oberfläche der Wandung 22 zwischen der Höhenlage der Zerstäuber
16 und der Leitfläche 20 gebildet hatte, 2. die Innenfläche der Wandung 21 zwischen
der Höhenlage der Leitfläche 20 und der Vorrichtung für die plötzliche Abkühlung
immer sauber war und auf ihr weder Kohlenstoffniederschläge noch teerartige Massen
festgestellt werden konnten.
-
Vergleichsversuche, die mit einem Wasserschleier durchgeführt wurden,
der durch unmittelbares Einspritzen von Wasser durch den Ringspalt 25 gebildet wurde,
haben ergeben, daß das Verfahren, nach welchem Wasserdampf eingeblasen und dieser
dann zur Bildung eines Wasserschleiers auf der Wandung zur Kondensation gebracht
wird, viel vorteilhafter ist. Wird nämlich unmittelbar Wasser eingespritzt, so bildet
sich in Höhe der Leitfläche 20 eine ringförmige Kühlzone, durch die in dieser Höhe
die Bildung eines Ringes aus kohlehaltigen Massen hervorgerufen wird, was jedoch
Unterbrechungen des Betriebes für die Reinigung der Wandung erfordert. Andererseits
wurde festgestellt, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch das
Verhältnis der Umwandlung deszu spaltendenKohlenwasserstoffes inAcetylen und Äthylen
viel größer war, und zwar um ungefähr 2 bis 501o. Im Falle des obigen Beispiels
betrug das Umwandlungsverhältnis des Benzins in Acetylen und Äthylen 50,6%, während
es nur 48,2% betrug, wenn das Wasser unmittelbar längs der Wandung 21 eingespritzt
wurde. Unter anderen Spaltbedingungen, insbesondere bei anderen Volumenverhältnissen
von Äthylen zu Acetylen in den gebildeten Spaltgasen, d. h. bei Volumenverhältnissen
von Athylen zu Acetylen, die nicht über 1 hinausgehen, ist die Zunahme des Umwandlungsverhältnisses
noch viel größer (59% an Stelle von 54,2%).
-
Es wurde auch festgestellt, daß ein Schleier, der längs der Wandung
21 nur aus Wasserdampf besteht, auch gewisse Nachteile besitzt. Um nämlich einen
derartigen Schleier zu erhalten, müssen sehr große Mengen Wasserdampf eingeblasen
werden, was wirtschaftlich jedoch nachteilig ist, und andererseits werden durch
diesen Wasserdampf die erhaltenen Spaltgase unnötigerweise verdünnt. Das Einblasen
von Wasserdampf durch zahlreiche in der Wandung vorgesehene Öffnungen in die Spaltkammer
hat die gleichen Nachteile.
-
Außerdem mischt sich der auf diese Weise eingeführte Dampf mit den
Reaktionsgasen, wodurch Nebenreaktionen erzeugt werden und vom thermischen Standpunkt
auch Unregelmäßigkeiten auftreten, was zu einer Verringerung des Umwandlungsverhältnisses
des in Acetylen und Olefine zu spaltenden Kohlenwasserstoffes führt.
-
Wann man geringere Mengen von Dampf einbläst, so neigt letzterer dazu,
sich mit den Reaktionsgasen zu mischen, so daß ein Teil der Wandung 21 ungeschützt
bleibt, wodurch aber die Abscheidung von Ruß und teerartigen Massen begünstigt wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kondensiert sich der den Sehleier
im oberen Teil der Wandung des Spaltraumes bildende Wasserdampf allmählich unter
Bildung eines Wasserschleiers. Selbst wenn dieser Wasserschleier infolge einer Unebenheit
oder eines anderen Fehlers der Wandung 21 zerreißt, so bildet er sich von selbst
wieder durch Kondensation neuer Mengen Wasserdampf, so daß also die Wandung ständig
gegen die Abscheidung von Kohlenstoff und teerartigen Stoffen geschützt bleibt.
-
Die durch den Spalt 25 am Kopf des Spaltraumes einzublasende Dampfmenge
muß in jedem besonderen Falle und insbesondere in Abhängigkeit vom Durchmesser des
Spaltraumes bestimmt werden. Ebenso müssen die Menge und die Temperatur des Wassers,
das in dem Außenmantel des Spaltraumes in Umlauf versetzt wird, so ausreichend bemessen
sein, daß .die Kondensation des am Kopf des Spaltraumes eingeblasenen Dampfes gewährleistet
ist.
-
Im allgemeinen wird der zur Bildung des Schutzschleiers der Wandung
des Spaltraumes benutzte Wasserdampf in einer Menge von etwa 20 bis 40 m3/h und
je 100 mm Umfang des Spaltraumes eingeblasen, und in dem Außenmantel 22 läßt man
je Kubikmeter Wasserdampf 10 bis 201 kaltes Wasser umlaufen, das mit einer Temperatur
von 15 bis 20° C eintritt und mit einer Temperatur von 65 bis 70° C austritt.