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Vorrichtung zur teilweisen Oxydation von Kohlenwasserstoffen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur teilweisen Oxydation von Kohlenwasserstoffen; insbesondere
zur Herstellung von Azetylen aus Methan.
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Es sind schon früher zahlreiche Systeme zur Herstellung von Azetylen
durch teilweise Oxydation von Kohlenwasserstoffen vorgeschlagen worden, aber mit
keinem dieser Herstellungsprozesse gelingt es, genügend große Mengen und einen befriedigenden
Azetylengehalt in den Produkten der Reaktion bei gleichzeitigem, störungsfreiem
Betrieb über längere Zeiträume zu erzeugen.
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Bei einem bekannten Herstellungsprozeß wird ein nichtstöchiometrisches
Gemisch aus vorerhitztem, gesättigtem Kohlenwasserstoffgas, z. B. Naturgas, und
Sauerstoff durch eine Platte mit vielen Öffnungen gepreßt und dort entzündet, so
daß die Platte als Flammenhalter dient. (Unter »nichtstöchiometrisch« in obigem
Sinne ist zu verstehen, daß bei dem Verbrennungsvorgang die zur Verfügung stehende
Sauerstoffmenge für eine vollkommene Verbrennung nicht ausreichend ist.) Um hierbei
die Bildung von Kohlenstoffabscheidungen auf den Wandungen der Reaktionskammer zu
verhindern, sind unmittelbar stromabwärts der durchlochten Platte kreisförmige Düsen
für die Zuführung von Sauerstoff vorgesehen, durch die in der Nähe der Wandungsfläche
eine oxydierende Atmosphäre aufrechterhalten werden kann.
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Die heißen Verbrennungsprodukte, die Azetylen enthalten, werden rasch
in Wasser abgeschreckt, und das Azetylen wird von den übrigen Verbrennungsprodukten
getrennt.
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Der oben beschriebene Herstellungsprozeß arbeitet während des Mischvorganges
mit einer Fließgeschwindigkeit des Gases von ungefähr 91,4 m/Sek., und seine Durchführung
stößt in der Praxis auf Schwierigkeiten, z. B. Frühzündung und ungleichmäßigen Ablauf
bzw. zeitweiliges Aussetzen des Verbrennungsvorgangs.
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Es wurde festgestellt, daß zur Erzielung eines hohen Ertrages an
Azetylen bei einem Herstellungsprozeß, der mit teilweiser Oxydation eines Kohlenwasserstoffes
arbeitet, die Einhaltung gewisser wesentlicher Bedingungen unerläßlich ist. Diese
Bedingungen sind folgende: 1. Sowohl der Kohlenwasserstoff als auch das Oxydationsmittel
müssen vor der Mischung auf eine möglichst hohe Temperatur vorerhitzt werden, deren
Grenze durch die Bedingung gegeben ist, daß während des Mischvorganges noch keine
Vorzündung eintreten darf.
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2. Bei der Vormischung muß darauf geachtet werden, daß eine innige
Mischung des vorerhitzten
Kohlenwasserstoffs und des vorerhitzten Oxydationsmittels
in einem möglichst kurzen Zeitraum erfolgt, damitVorzündungen im Mis chraum vermieden
werden und der Verlust von Vorheizwärme klein bleibt.
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3. Die teilweise Oxydationsreaktion und die Reaktion des Methans
oder anderer Kohlenwasserstoffe bei der Bildung von Azetylen muß bei einer verhältnismäßig
hohen Temperatur und in einem möglichst kurzen Zeitraum erfolgen, damit ein hohes
Ergebnis an Azetylen erhalten wird.
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Genauer ausgedrückt: Es wurde festgestellt, daß bei einem gegebenen
Mischungsverhältnis der Ausgangsmaterialien der Prozentgehalt von Azetylen im Endprodukt
weitgehend durch die Temperatur, auf welche diese vorerhitzt wurden, beeinflußt
wird, da die Menge des erzeugten Azetylens mit der Temperatur ansteigt. Die Maximaltemperatur
bei der Vorerhitzung ist in der Praxis dadurch gegeben, daß eine übermäßige Vorzündung
im Mischraum vermieden werden muß. Eine zu große Vorerhitzung des Oxydationsmittels
verbietet sich, da sonst eine zu starke
Oxydation des Inneren der
Leitungsröhren für das Oxydationsmittel auftreten würde. Bei einer zu starken Vorerhitzung
des Kohlenwasserstoffs würde eine Wärmespaltung eintreten, die zu einer störenden
Kohlenstoffablagerung an den Wänden der Einrichtung führen und schließlich die Röhren
im Vorerhitzer verstopfen würde.
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Die obenerwähnte schnelle und innige Mischung von vorerhitztem Kohlenwasserstoff
und Oxydationsmittel bei den höchsten anwendbaren Temperaturen ist unerläßlich zur
Erzielung eines hohen Azetylengehalts in den Reaktionsprodukten. Der schnelle Ablauf
des Mischvorgangs muß, neben anderen Gründen, auch deshalb gefordert werden, weil
während des Mischvorgangs ein Verlust von Vorheizwärme auftritt, da die Mischeinrichtung
durch Wasser oder ein anderes Kühlmittel gekühlt wird. Es ist leicht einzusehen,
daß ein langsamerer Ablauf des Mischvorgangs den Verlust von Vorheizwärme vergrößern
und den Gehalt an Azetylen im Reaktionsprodukt verschlechtern würde.
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Ein schneller Ablauf des Mischvorgangs beseitigt außerdem Zonen mit
hoher Sauerstoffkonzentration, die leichter dazu führen, daß Vorzündung eintritt,
bevor eine innige und gleichmäßige Mischung der Gase erreicht wurde.
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Es ist außerdem bekannt, daß ein schnelles Abschrecken der Reaktionsprodukte
nötig ist, um einen Zerfall des in ihnen enthaltenen Azetylens zu verhindern. Das
Abschrecken darf jedoch nicht zu nahe an der Flamme der Reaktionszone erfolgen,
und es darf auch nicht zu weit entfernt von der Reaktionszone vorgenommen werden,
da sonst ein teilweiser Wiederzerfall des entstandenen Azetylens eintritt.
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Obwohl die meisten der genannten Bedingungen schon früher bekannt
waren, gab es bisher noch keinen Herstellungsprozeß, der allen gerecht wurde.
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Kürzlich ist ein Herstellungsprozeß bekanntgeworden, der vorsieht,
daß ein vorerhitzter Strom eines gasförmigen Kohlenwasserstoffes und ein vorerhitzter
Strom eines gasförmigen Oxydationsmittels in nichtstöchiometrischem Verhältnis (für
eine vollkommene Verbrennung unzureichende Sauerstoffmenge) mit ungefährer Schallgeschwindigkeit,
und zwar einer Geschwindigkeit größer als Mach-Zahl 0,5 (ungefähr 304,8 m/Sek. für
eine 2: l-CH4-O2-Mischung bei 8000 C) und vorzugsweise in der Nähe von Mach-Zahl
1,0 (ungefähr 609,6 m/Sek.) zu einem innigen Gemisch vereinigt werden. Das Gemisch
wird bei seinem Eintritt in einen Reaktionsraum gezündet und ein über den ganzen
Querschnitt des Verbrennungsraumes ausgedehntes und schnelles Brennen des Gasgemisches
herbeigeführt, worauf die heißen Verbrennungsprodukte, die aus dem Reaktionsraum
austreten, abgeschreckt werden und wobei die Reaktionszeit, vom Zeitpunkt der Zündung
bis zum Zeitpunkt des Abschreckens, in der Größenordnung von l bis 4 Millisekunden
liegt.
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Der oben verwendete Ausdruck »Mach-Zahl« kennzeichnet das Verhältnis
der linearen Geschwindigkeit des Gasgemisches zur Schallgeschwindigkeit im gleichen
Gemisch bei gegebener Temperatur, gegebenem Druck und gegebener Gaszusammensetzung
Bei dem obenerwähnten Herstellungsprozeß wird das Gasgemisch von Methan und Oxydationsmittel
beim Übergang aus der Mischeinrichtung in den erweiterten Reaktionsraum gezündet,
und zwar in der Wirbelzone, die beim Übertritt des Gases in den er-
weiterten Reaktionsraum
entsteht, und durch die stark erhitzten und Wärme abstrahlenden Wände der Reaktionskammer;
dabei wird die Lage der Flamme durch diese Zündung des Gasgemisches innerhalb der
Reaktionskammer gehalten.
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Die beschriebene Art der Zündung ist zwar wirkungsvoll für die Zündung,
Verbrennung und das Halten der Flamme in Brennern, die nur einen verhältnismäßig
kleinen Durchgang von Gasgemisch haben, sie ist jedoch nicht günstig für die Anwendung
in kommerziellen Anlagen, die große Gasmengen verarbeiten. Die Verwendung ausgekleideter,
rückstrahlender Reaktionskammern in kommerziellen Großanlagen für große Durchgangsmengen
würde dazu führen, daß nur der äußere Teil des Gasgemischstromes, der durch die
Reaktionskammer geht, sich an den heißen, rückstrahlenden Wänden entzündet, der
innere Kern des Gasstromes dagegen nicht oder nur schlecht entzündet würde.
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Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur teilweisen
Oxydation von Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur Herstellung von Azetylen aus
Methan, mit der große Mengen der Reaktionsmittel umgesetzt werden können.
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Sie besteht aus einem kanalartigen Verbrennungsraum, der an seinem
einen Ende mit einer Mischvorrichtung zur Zuführung eines gasförmigen Gemisches
aus einem Oxydationsmittel und dem zu spaltenden Kohlenwasserstoff und an seinem
anderen Ende mit einer Abschreckvorrichtung zur schnellen Kühlung der in der Verbrennungskammer
erzeugten heißen Verbrennungsprodukte in Verbindung steht. Gemäß der Erfindung steht
die Mischeinrichtung über längsverlaufende Kanäle mit einer Zündkammer in Verbindung,
in der die Fließrichtung der gemischten Gase plötzlich aus der Längsrichtung in
eine im wesentlichen querverlaufende Richtung umgelenkt wird, bevor sie in den Verbrennungsraum
eintreten, und die Zündkammer ist mit in Kreisform angeordneten Zündvorrichtungen
versehen, die mit einer Quelle für ein brennbares Gasgemisch in Verbindung stehen,
so daß sich selbst erhaltende Zündflammen hoher Geschwindigkeit erzeugt werden und
die Einleitung der Verbrennung des zu spaltenden Gemisches im oberen Teil des Verbrennungsraumes
aufrechterhalten wird.
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Die Verwendung von Hilfsflammen für die Zündung zu spaltender Gasgemische
und die Aufrechterhaltung der Reaktion ist zwar bekannt. Auch ist bereits eine Vorrichtung
zum Spalten von dampf-oder gasförmigen gesättigten Kohlenwasserstoffen, insbesondere
Methan, in ungesättigte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Azetylen, bekanntgeworden,
bei welcher die Fließrichtung des eintretenden zu spaltenden Gases durch das obere
Ende der Wandung der Reaktionskammer umgelenkt wird und bei der auch Zündflammen
als Hilfsflammen, die durch ein Brenngasgemisch gespeist werden, vorgesehen sind.
Bei dieser bekannten Vorrichtung sind jedoch die Brenner der Zündflammen in einem
wesentlichen Abstand von der Umlenkfläche des zu spaltenden Gases angeordnet, und
die aus den Brennern austretenden Flammen werden quer in den in der Fließrichtung
umgekehrten Gasstrom eingeführt. Aber selbst wenn die Brenner nahe an der Prall-
oder Umkehrfläche angeordnet werden würden, so würden unter diesen Bedingungen die
Zündflammen noch immer gegen die abgelenkten Gas ströme gerichtet sein, die an der
Umlenkstelle
der Prallfläche radial nach außen fließen.
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Im Gegensatz hierzu sind erfindungsgemäß die Brenner in Kombination
mit einer Stauvorrichtung für das zu spaltende Gasgemisch so angeordnet, daß sich
die Zündflammen praktisch parallel zu deren Prallfläche in der Richtung des abgelenkten
Stromes des zugeführten Gasgemisches erstrecken.
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Gegenüber Vorrichtungen, bei denen die Zündflammen quer in den zu
spaltenden Gas strom gerichtet werden, hat jedoch die erfindungsgemäße Anordnung
der Brenner für die Hilfsflammen den Vorteil, daß die Flammen, da sie sich in einen
in derselben Richtung fließenden Gas strom erstrecken, nicht so leicht auseinandergerissen
und hierdurch verdünnt werden.
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Auf diese Weise bleiben dann auch die Flammen über eine längere Strecke
erhalten, und ihre Wirkung als Zündmittel wird wesentlich erhöht. Außerdem ermöglicht
die genannte erfindungsgemäße Anordnung der Brenner in unmittelbarer Zusammenwirkung
mit der Prallfläche der Stauvorrichtung die Anwendung höherer Geschwindigkeiten
der umzuwandelnden Gase, da durch das Auftreffen des Gasstromes auf die Prallfläche
ein höherer Gegendruck gegen die Zündflammen erzielt wird, mit dem Ergebnis, daß
diese wirksamer an den Brennern gehalten werden und nicht weggetrieben oder sogar
zum Erlöschen gebracht werden, wie es bei einem rechtwinkligen Zusammentreffen von
Flammen und Gasstrom der Fall sein würde.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine im Schnitt gezeichnete Teilansicht
einer ungekühlten Misch- und Reaktoranordnung, in der die Erfindung zur Anwendung
gebracht wird, Fig. 2 eine Teildraufsicht der Anordnung von Fig. 1, Fig. 3 eine
im Schnitt gezeichnete Teilansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einrichtung, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 5-5 der Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt
nach Linie 6-6 der Fig. 3.
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Der in der Mischeinrichtung erzeugte Gasgemischstrom hoher Geschwindigkeit
wird im inneren Verbrennungsraum einer teilweisen Verbrennung unterzogen, wobei
die Flamme an einem Zurückschlagen in die Mischzone gehindert und gegen ein Ausblasen
vom Verbrennungsraum her geschützt wird. Die Aufrechterhaltung der benötigten kritischen
Zeitspanne zwischen der Einleitung des Verbrennungsvorganges und dem Abschrecken
wird dadurch erreicht, daß die Flamme in der Einrichtung am richtigen Ort festgehalten
wird und indem der ganze Querschnitt des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasgemisches
im ganzen brennt.
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Wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches wird die
Einleitung des Verbrennungsvorganges und das Festhalten der Reaktionsflamme durch
die Einführung von wenigstens einer »harten« Zündflamme so hoher Flammengeschwindigkeit
in den Gasstrom durchgeführt, daß diese von ihm weder ausgeblasen noch abgelenkt
werden kann. Die Anzahl der Zündflammen hoher Flammengeschwindigkeit, die nötig
ist, um ein Brennen über dem ganzen Querschnitt des Gasstromes zu erreichen, hängt
selbstverständlich von der durchfließenden Menge des Gasgemisches ab (Verbrennung
des ganzen Stromes des Gasgemisches in einem einzigen Vorgang gegenüber vielen Einzelverbrennungen
des zerteilten Gas stromes, wie es früher üblich war). Zur Erzielung eines gleichmäßigen
und gleichzeitigen Brennens des gesamten
Mischgasstromes ist es nötig, viele Gebläsebrenner
mit Zündflammen hoher Geschwindigkeit zu benutzen, wenn große Gasmengen verarbeitet
werden.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein Reaktor 10 gezeigt, der aus einer Wärmeisolation
12 und einer metallischen, äußeren Schutzhülle 14 besteht. Der Reaktor 10 besitzt
einen inneren Reaktionsraum 16, in den die gemischten Ausgangsstoffe einströmen
und verbrannt werden. Eine oder mehrere Mischeinrichtungen 18 (in der Ausführungsform,
die in den Zeichnungen dargestellt ist, sind vier gezeigt) sitzen senkrecht auf
einer Halteplatte 20 auf der Oberseite des Reaktors 10; aus ihnen strömt das zur
Verarbeitung gelangende Gasgemisch durch senkrecht verlaufende Kanäle 23, die in
eine flache Zündkammer 24 übergehen, und gelangt aus dieser durch einen verengten
Teil 26 in den Reaktionsraum 16. Durch eine Vielzahl von Brennern 28, die mit hoher
Geschwindigkeit brennende Flammen erzeugen, wird erreicht, daß die Reaktionsflamme
in der Gegend des oberen Endes des Reaktionsraumes 16 brennt. Die heißen Verbrennungsprodukte
der teilweisen Oxydationsreaktion, die im Reaktionsraum 16 stattfindet, strömen
aus dem Reaktionsraum 16 durch die Abschreckzone 30, wo sie mit einem Sprühregen
der Abschreckflüssigkeit, z. B. Wasser oder einem flüchtigen Kohlenwasserstoff,
abgeschreckt werden, die durch die Sprühdrüsen 31 in die Abschreckzone 30 eingespritzt
wird. Die Abschreckliammer 30 ist von einem ringförmigen Raum 34 umgeben, der mit
den Sprühdüsen 31 durch die Wandung der Abschreckkammer 30 in Verbindung steht und
in den Zuleitungen 32 hineinführen.
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Den Brennern 28 wird durch die Zuführungsleitungen 38 unter Druck
Brennstoff und Oxydationsmittel zugeführt, welche die »harten« Zündflammen erzeugen,
die die Verbrennung im Reaktionsraum einleiten und die Reaktionsflamme in der gewünschten
Lage festhalten. Harte Zündflammen sind deshalb nötig, weil, wie schon oben beschrieben,
das Gasgemisch mit einer solchen Geschwindigkeit strömt, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit
im Gas strom während der Reaktion nicht hoch genug ist, um die Reaktionsflamme ohne
die Hilfe der Zündflamme in der gewünschten Lage am oberen Ende des Reaktionsraumes
16 zu halten.
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Die Mischeinrichtungen 18, die im wesentlichen in der deutschen Auslegeschrift
1 063 596 beschrieben sind und für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung kein
Schutz beansprucht wird, besitzen einen äußeren Gehäuseteil 64, mit dem Einlaßrohre
70 für den Sauerstoff und Einlaßrohre 60 für den Kohlenwasserstoff verbunden sind.
Ein im Gehäuse 64 angeordneter Injektorteil bewirkt das Einblasen des Oxydationsmittels
in den Kohlenwasserstoffstrom mit nahezu Schallgeschwindigkeit. Die vorerhitzten
Ströme innig gemischten Methan- und Sauerstoffgases gelangen aus dem unteren Teil
44 der Mischvorrichtungen 18 auf die in Fig. 1 beschriebene Weise in die Mischgasdurchlässe
23 der Reaktoranordnung und werden von dort in den Reaktionsraum übergeführt, wobei
sie die flache Zündkammer 24 durchlaufen, in der die Verbrennung durch die als Flammenhalter
dienenden Brenner 28 eingeleitet wird.
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Die Zündkammer 24 lenkt die verschiedenen, innig gemischten Ströme
vorerhitzten Methans und Sauerstoffs nach dem Mittelpunkt der Reaktionskammer 16
hin, an welcher Stelle eine starke Wirbelbildung und dementsprechende gute Mischung
eintritt,
die beide die Ausbreitung der Verbrennungsreaktion (teilweise
Oxydation) fördern. Die Reaktion der teilweisen Oxydation wird weiterhin durch Zündflammenbrenner
106 unterstützt, die unmittelbar unterhalb eines Drosselungsrings 107 angebracht
sind. Die teilweise Oxydation und die Reaktionen, durch die das Azetylen gebildet
wird, werden beim Durchlauf des Gases durch den Reaktionsraum 16 zu Ende geführt.
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Die Abschreckzone 30 liegt unterhalb der Verbrennungsreaktionszone
an einem kritischen Punkt.
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Die Lage der Abschreckzone bestimmt die Zeitspanne, die zwischen dem
Beginn der Verbrennungsreaktion und dem Abschrecken der Verbrennungsprodukte liegt,
und muß nahe genug an der Verbrennungszone liegen, damit abgeschreckt werden kann,
bevor ein Wiederzerfall des erzeugten Azetylens eintritt, sie darf aber andererseits
nicht so nahe an der Verbrennungszone liegen, daß der Verbrennungsvorgang unterbrochen
wird, bevor der Sauerstoff im Reaktionsgemisch im wesentlichen verbraucht ist.
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Eine Wärmespaltungseinrichtung ähnlich den in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen der Erfindung wurde dazu benutzt, um Methan und Sauerstoff zu
mischen und zur Reaktion zu bringen, wobei das erstere Gas auf 8500 C und das letztere
Gas auf 6050 C vorerhitzt waren und wobei ein Gasgemisch erhalten wurde, das im
trockenen Zustand 9,2 Volumprozent Azetylen enthielt.
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Bei einem ähnlichen Herstellungsvorgang wurde eine Mischung von 90°/o
Methan und 10% Wasserstoff (auf 8600 C vorerhitzt) mit Sauerstoff (auf 6000 C vorerhitzt)
gemischt und dieses Gemisch dann zur Reaktion gebracht, wobei das erhaltene Gasgemisch
im trockenen Zustand 9 Volumprozent Azetylen enthielt.
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Bei einem anderen Versuch mit dem Herstellungsprozeß gemäß der Erfindung
wurden stündlich 2264m3 Methan, die auf 7200 C vorerhitzt waren, und 1217mg auf
6000 C vorerhitzter Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit in wassergekühlten Mischeinrichtungen
der Art, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, gemischt und in einer Reaktoranordnung,
wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weiterverarbeitet.
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Die Ströme gemischten Gases traten aus den Mischkammern mit einer
Geschwindigkeit von ungefähr Mach-Zahl 0,6 aus und wurden nahe dem Eingang des Reaktionsraumes
durch Flammenhalter, von der in den Zeichnungen dargestellten Art, entzündet, wobei
die Brenner ungefähr pro Stunde 2,83 m3 Methan und 5,66 m3 Sauerstoff verbrauchten.
Die gasförmigen Reaktionsprodukte wurden schnell durch versprühtes Wasser abgeschreckt,
so daß die Reaktionszeit zwischen der Zündung des Gemisches und dem Eintritt in
die Abschreckzone in der Größenordnung von 0,003 Sekunden lag. Das gasförmige Reaktionsprodukt
brachte im Trockenzustand folgende Analyse: Volumprozent C2H2 . 8,7 CO2 - . 2,8
Olefine . 1,6 O2 ...... 0,2 57,4 CO . . 22,5 CH4 ..... ..... 5,9 N2 ... . ... 0,9
Total.. . 100,0
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Einrichtung
so abgeändert werden, daß die in die Zündkammer eingeführten getrennten Ströme gemischten
Gases durch Unterteilung eines einzelnen Gas stromes gebildet werden. In den Fig.
3 bis 5 ist eine Brenneranordnung 110 gezeigt, die aus einem inneren, feuerfesten,
wärmeisoliernden Teil 112 und einem äußeren, metallischen Gehäuse 114 be steht.
Durch den inneren Teil 112 läuft in axialer Richtung ein stufenförmig abgesetzter
Kanal 116, der eine nach oben hin offene Führung 118 im Isolierteil 112 bildet.
Der Kanal 116 besitzt einen erweiterten Abschnitt 120 verhältnismäßig großen Durchmessers,
der als Zündkammer dient, und einen unteren Abschnitt 122, der im Isolierteil 112
nach unten hin offen ist und den Reaktionsraum enthält. Eine kreisförmige Verteilerplatte
126, die aus feuerfestem Material besteht, liegt zentrisch im Abschnitt 120 des
Kanals 116. Die Platte 126 enthält eine Anzahl von Öffnungen 130, die dazu dienen,
den Strom des Reaktionsgemisches vor dem Eintritt in den Reaktionsraum in mehrere
Einzelströme aufzuteilen. Im unteren Teil der Wandung des Führungskanals 118 für
das gemischte Gas sind nach außen verlaufende Nischen 132 angebracht, von denen
je eine in Flucht mit einer Öffnung 130 in der Verteilerplatte 126 steht. Auf diese
Weise wird der Strom des Gemisches der Ausgangsstoffe, der durch den Kanal 118 strömt,
durch die Nischen 132 und die Öffnungen 130 in Einzelströme aufgeteilt, bevor er
in den Reaktionsraum 122 gelangt. Die Nischen 132 und die Öffnungen 130 müssen dabei
so ausgebildet werden, daß keine wesentliche Veränderung der Geschwindigkeit des
Gasgemisches durch diese Teilung in verschiedene Einzelströme eintritt.
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Eine Mischeinrichtung 136 oder eine Mehrzahl solcher Mischeinrichtungen
kann in das obere Ende des Führungskanals 118 eingesetzt werden, in dem die Mischung
weiter fortgesetzt wird. Es können auch andere Mischeinrichtungen verwendet werden,
auch kann die Länge des der Nachmischung dienenden Führungskanals 118 herabgesetzt
werden, wenn Mischeinrichtungen mit einem günstigen Mischungswirkungsgrad verwendet
werden.
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Die Vielzahl der Gasströme, die aus den Öffnungen 130 austreten,
treffen auf die vorspringende, ringförmige Wand 140 der Zündkammer 120 und werden
radial nach innen abgelenkt, wo sie gegenläufig aufeinanderprallen und eine starke
Wirbelbildung und gute Mischung bewirken.
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Der resultierende Strom innig gemischter Ausgangsstoffe wird über
seinen ganzen Querschnitt hin durch wenigstens einen Zündflammenbrenner 142 entzündet,
der eine starke und mit großer Flammengeschwindigkeit brennende Flamme in den Bereich
des wirbelförmigen Mischvorganges sendet. Der innig gemischte, hochbeschleunigte
Gas strom wird nun einem über seinen ganzen Querschnitt ausgedehnten Verbrennungsvorgang
im Reaktionsraum 122 verbrannt. Infolge der verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit
der einzelnen Gasströme, die an dem Zündflammenbrennerl42 vorbeistreichen, ist es
unerläßlich, daß der Brenner eine starke, mit hoher Flammengeschwindigkeit brennende
Zündflamme erzeugt, die nicht durch das vorbeiströmende Gasgemisch ausgeblasen werden
kann und die in der Lage ist, die Einleitung des Oxydationsvorganges im oberen Ende
des Reaktionsraumes 122 aufrechtzuerhalten. Letzteres ist besonders
wichtig,
da es zur Erzielung eines günstigen Ergebnisses an Azetylen unerläßlich ist, daß
ein Zeitabschnitt von kritischer Dauer zwischen dem Zeitpunkt der Einleitung der
Verbrennung (Oxydationsreaktion im Brenner) und dem Zeitpunkt des Abschreckens genau
eingehalten wird.
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Die genaue Einhaltung dieser kritischen Zeitspanne ist nur dann möglich,
wenn die Reaktionsflamme an der vorgeschriebenen Stelle gehalten wird und wenn sichergestellt
ist, daß der Gasstrom gleichmäßig in seinem ganzen Querschnitt brennt. Jede Art
Brenner, die in zahlreichen Ausführungen bekannt sind, von der die Forderung nach
Aufrechterhaltung einer solchen kräftigen Zündflamme hoher Geschwindigkeit am Ausgangsende
der Mischeinrichtung erfüllt wird, kann in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendet
werden.
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Mit dem unteren Ende des Reaktionsraumes 120 steht eine Abschreckzone
144 in Verbindung, in die Wasser oder eine andere Abschreckflüssigkeit in einer
Vielzahl von Strahlen durch eine Vielzahl radial an der inneren Peripherie der Kammer
144 angebrachter Düsen 148 eingespritzt wird. Die Abschreckflüssigkeit tritt durch
das Einlaßrohr 150 in den ringförmigen Raum 152 ein und gelangt von dort zu den
Einspritzdüsen 148.
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Die abgeschreckten Reaktionsprodukte werden dann von der Abschreckkammer
144 in eine (nicht gezeichnete) Einrichtung übergeführt, in der das in ihnen enthaltene
Azetylen von den anderen Reaktionsprodukten getrennt wird.
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Es hat sich gezeigt, daß sowohl eine einzige Mischvorrichtung 136
als auch eine Vielzahl solcher Mischvorrichtungen gleichzeitig zur Beschickung des
Mischgaskanals 118 benutzt werden kann. Es hat sich ferner gezeigt, daß zur Erzielung
eines guten Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Einrichtung die Anbringung von
wenigstens einer Zündflamme in der Nähe der Eintrittsstelle eines jeden der Teilströme
des Gases in den Reaktionsraum zweckmäßig ist.
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Schließlich wurde noch festgestellt, daß die in Fig. 4 gezeigte Anordnung
der Brenner, die radial nach innen gerichtete Zündflammen ergibt, die besten Ergebnisse
in bezug auf ein gleichmäßiges Brennen der Gase über den ganzen Querschnitt des
Gasstromes bringt.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß der Gasstrom der vorerhitzten
Ausgangsstoffe in jede beliebige Zahl (zwei oder mehr) von Einzelströmen durch eine
entsprechende Anzahl von Durchlässen 130 in der Verteilerplatte 126 aufgeteilt werden
kann.
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Es stellte sich aber heraus, daß eine zu starke Unterteilung des Gas
stromes eine unnötige Komplizierung in bezug auf Anordnung und Betrieb der Zündflammen
mit sich bringt. Außerdem ist es möglich, daß der Wirkungsgrad des Verbrennungsvorganges
wieder sinkt, wenn zu viele Einzelströme verwendet werden, da unter solchen Verhältnissen
unter Umständen der gleichmäßige, sich über den ganzen Querschnitt der strömenden
Gase erstreckende Verbrennungsvorgang gestört wird, da der Verbrennungsprozeß in
diesem Falle wieder mehr die Form annimmt, die er bei der eingangs beschriebenen,
bekannten Einrichtung besitzt, die mit einer Brennerplatte arbeitet, die eine große
Zahl von Flammenhalterdurchlässen besitzt.
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Als Beispiel für einen Arbeitsprozeß, der mit einer Einrichtung durchgeführt
wurde, die der in den Fig. 3
bis 5 gezeichneten ähnlich war, wurde eine teilweise
Oxydation von Methan durch Sauerstoff durchgeführt.
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Es wurden stündlich 1698 ms auf 6350 C vorerhitzten Methans mit 905
m5 auf 6000 C vorerhitzten Sauerstoffes gemischt und durch den Mischgaskanal 118
und vier getrennte Durchlässe 130 in einen Reaktionsraum mit 12,71 Rauminhalt eingeführt.
In dem Reaktionsraum waren acht kleine Brenner für hohe Flammengeschwindigkeit in
vier Gruppen zu je 2 Stück angebracht, von denen je 1 Paar in der Nähe einer der
vier Durchlässe 130 stand.
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Das gasförmige Reaktionsprodukt, das aus dem Reaktionsraum austrat,
wurde rasch mit Sprühwasser abgeschreckt und zeigte im trockenen Zustand folgende
Zusammensetzung: Volumprozent Azetylen C2H2 7,9 Olefine . . . . . . . . 0,7 Wasserstoff
H2 ...... 55,0 Kohlenmonoxyd CO . 25,5 Kohlendioxyd CO2 . . 3,2 Methan CH4 .. 6,6
Stickstoff N2 ... ... 0,8 Sauerstoff O2 . ... 0,3 Total. 100,0 Bei einem anderen
Prozeß, in dem die gleiche Einrichtung Verwendung fand, wurde stündlich ein Gemisch
von 2264 m3 auf 6600 C vorerhitzten Methans und 1217 ms ebenfalls 6000 C vorerhitzten
Sauerstoffs in der oben beschriebenen Weise zur Reaktion gebracht. Das Reaktionsprodukt
zeigte im trockenen Zustand folgende Zusammensetzung: Volumprozent Azetylen C2H2
8,0 Olefine . . . . . . . . 0,5 Wasserstoff H2 . ....... 54,2 Kohlenmonoxyd CO .
. 26,1 Kohlendioxyd CO2 . 3,2 Methan CH4 ... 7,2 Stickstoff N2 0,7 Sauerstoff O2
. ... 0,1 Total. 100,0 Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß die erfindungsgemäße
Einrichtung selbstverständlich auch so ausgeführt werden kann, daß stündlich noch
weit größere Mengen Gas verarbeitbar sind. So würde z. B. eine Vergrößerung des
Durchmessers des verwendeten Reaktionsraumes um 50°/o eine Stundenleistung der Einrichtung
von 5094 m8 ergeben. In ähnlicher Weise würde eine Verlängerung des Reaktionsraumes
eine Erhöhung der verarbeiteten Gasmenge ergeben, daneben jedoch auch noch die Wärmeverluste
erniedrigen, die durch die Abschreckflüssigkeit entstehen.
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Schließlich sei noch klargestellt, daß die erfindungsgemäße Reaktoreinrichtung
sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Lage verwendet werden kann, wobei
jedoch der vertikalen Richtung der Vorzug gegeben wird.