DE1418939C - Vorrichtung zur Herstellung von unge sattigten Kohlenwasserstoffen durch ther mische Spaltung von Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbesserung einer Vorrichtung zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Strom heißer Verbrennungsgase, bestehend aus einer Verbrennungskammer mit sich unmittelbar in diese öffnenden Düsen für die getrennte Einführung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff, aus einer mit der Brennkammer in Verbindung stehenden Reaktionskammer und einem die beiden Kammern verbindenden Einlaß- ίο teil für die axiale Zufuhr der zu spaltenden Kohlenwasserstoffe, welches einen kleineren Durchmesser hat als die Brennkammer und die Reaktionskammer.

Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung einer wirtschaftlichen, wirksamen und dauerhaften Vorrichtung, mit der Acetylen und Äthylen durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen gewonnen werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe müssen natürlich die Bedingungen der Vorwürmtemperatur, des Brennstoffes und der Rohstoffe, der Reaktions- und Abschreckleniperatur, der Flammgeschwindigkeit wie auch des Strömtingszustandes der Flamme und der Rohstoffgase festgesetzt werden, und darüber hinaus soll der Verbrauch an die Flamme bildendem Brennstoff und an Sauerstoff möglichst herabgesetzt werden. Der Verlust an durch die Flamme erzeugter Wärmemenge durch die Gefäßwand hindurch soll verhindert und die Hitze wirksam für die Zersetzung der Rohstoffe und auch zur Erhaltung der gewünschten hohen Temperaturen ausgenutzt werden.

Ein bisher bekanntes Verbrennungsverfahren für Brennstoffe ist das sogenannte Vormischverfahren, bei dem gasförmiger Brennstoff und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltige Gase vorgewärmt und gemischt und durch eine Düse oder einen Zerstäuber zur Flammenerzeugung in eine Brennkammer eingespritzt werden. Diese Verfahrensweise ist für zahlreiche Zersetzungsöfen einfacherer Art anwendbar. Allerdings ist es nachteilig, daß die Düse Frühzündungen verursacht, so daß eine vollständige Durchmischung der Brenngase mit Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigen Gasen erschwert wird; auch neigt die Flamme zum Erlöschen. Insbesondere prallt die Flamme nach dem Einspritzen durch die Düse vor der Reaktion mit dem Rohstoff auf die Wand der Brennkammer, so daß an der Ofenwand beträchtliche Wärmeverluste auftreten, wodurch das Wandmaterial des Ofens durch Verbrennungsverluste leidet.

Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man schon Brenngase und Sauerstoff getrennt mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit in die Brennkammer eingeführt, und zwar den Brennstoff durch feine, auf konzentrischen Kreisen verteilte Löcher und den Sauerstoff durch mit diesen übereinstimmende Sauerstoffdüsen. Bei diesem Verfahren ist die Flamme als Ganzes von zylindrischer Form, ohne daß sie in direkten Kontakt mit der Ofenwand kommt, so daß Wärmeverluste und durch die hohe Temperatur bedingte Vcrtrennungsvcrluste der Ofenwand in Fortfall kommen. Wenn jedoch die Gase durch die feinen Löcher eingeführt werden, sind Gasdurchflul?menge und die Art der Ga.se und damit der Anwendungsbereich eines solchen Brenners begrenzt.

Ferner ist bereits bekannt (belgische Patentschrift 586 OK)), bei der Spaltung von Kohlenwasserstoffen mittels heißer Trägergase Sauerstoff eder sauerstoffhaltitjes Gas und gasförmigen Brennstoff mit einer Geschwindigkeit von ICO bis 2C0 m/Sek. durch konzentrische ringförmige Düsen in die Brennkammer einzuleiten.

Des weiteren ist aus der belgischen Patentschrift 559 843 und der österreichischen Patentschrift 210 867 bekannt, bei einem derartigen Verfahren die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe an einer Stelle, deren Durchmesser kleiner ist als der der Brennkammer, radial in den Strom der heißen Verbrennungsgase einzusprühen und das erhaltene Gasgemisch anschließend zu kühlen.

Es ist auch bereits eine Vorrichtung beschrieben (britische Patentschrift 789 344), bei der Kohlenwasserstoff und sauerstoffhaltiges Gas ebenfalls durch ringförmige Kanäle zugeführt und die Gasströmungen durch seitliches Verändern der Lage eines Zentralkörpers mittels Stellschrauben beeinflußt werden können. Hierbei ist allerdings ein Vormischen der Gase erforderlich. Es ist auch schon bekannt, die Gasgeschwindigkeiten durch Verdrängerkörper zu regulieren (deutsche Auslegeschrift 1 081 448).

Schließlich ist es aus der belgischen Patentschrift 571 054 bereits bekannt, Brennstoff und Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltiges Gas unmittelbar in die Brennkammer einzuführen, wobei jedoch die Breite der Düsenöffnungen nicht reguliert werden kann.

Die eingangs genannte Vorrichtung ist dagegen erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß konzentrische, ringförmige Düsen 10, 11 zur Einführung von Brmnstoff und Sauerstoff oder sauerstoffhaltigein Gas vorgesehen sind, die durch einen fest angeordneten, zylindrischen Außenmantel 7 und verstellbare Teile 8, 9 zum unabhängigen Einstellen der Breite der jeweiligen Düsenöffiuingen 10, 11 gebildet werden.

Diese Vorrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die konzentrischen, ringförmigen Düsen 10, 11 zur getrennten Einführung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff miteinander einen Winkel von 40 bis 90° bilden.

Mit einer solchen Vorrichtung nach der Erfindung kann ständig eine stabile, zylindrische Flamme aufrechterhalten werden, die keinerlei Neigung zum Verlöschen hat. Die Möglichkeit der Bildung von Rückfeuer wird ausgeschaltet. Da die Flamme stabil zylindrisch ist, trifft sie nicht auf die Ofenwand, wodurch der Wärmeverlust an der Ofenwand auf einem Minimum gehalten wird. Auch wird dadurch die Ofenwand nicht durch Verbrennen beschädigt, wodurch eine beträchtliche Gefahrenquelle ausgeschaltet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung der Zersetzung von Kohlenwasserstoffen nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Ansicht nach der Linie a-a' in F i g. 1 im Schnitt,

F i g. 3 eine Teilansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Trennwand 9 und

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine mit einer Anzahl Düsen versehene Düsenplatte.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Brennkammer und mit 2 eine Reaktionskammer bezeichnet. Erfindungsgemäß bildet das zwischen einem äußeren Mantel 7 und dem mittleren Führungsteil 9 angeordnete verstellbare zylindrische Diisenstück 8 konzentrische zylindrische Durchlässe 3 und 4, und am Eingang der Brennkammer werden konzentrische Öffnungen 10 und 11 gebildet,, demit Brennstoff bzw. Sauerstoff in geeigneten Richtungen eingespritzt werden können, wobei

3 4

die sich zu dem nachstehend erläuterten Zweck zwischen den einzelnen Flammeneinheiten auf, so daß

kreuzen. Der mittlere Teil Γ des Ofens zwischen der die durchschnittliche Flammendichte geringer ist als

Brennkammer 1 und der Reaktionskammer 2 ist ver- die einer zylindrischen Flamme, die erfindungsgemäß

engt mit einem geringeren Durchmesser als die Brenn- von ringförmigen Düsenbrennern erzeugt wird, so daß

kammer. An diesem Teil ist eine Anzahl von Zu- 5 die Kapazität der Brennkammer entsprechend größer

führungsleitungen 5 zur Beförderung des Kohlen- sein muß.

wasserstoffgases vorgesehen, während 6 die Ofenwand Schließlich kann zur Vervollständigung der Durchaus hitzebeständigem Material darstellt, die einen mischung von Brennstoff und Sauerstoff in kurzer äußeren Mantel des Reaktionsofens bildet. Mit 12 Zeit eine Schraube 9', wie in F i g. 3 gezeigt, im sind Einlaßleitungen für Wasser zum Abschrecken der io Inneren des Sauerstoffeinlaßrohres angebracht werden, thermisch zersetzten Gase bezeichnet. Die zylindrische um dem Sauerstoff bei seinem Eintritt in die Brenn-Düsenwand 8 und gewünschtenfalls das mittlere Füh- kammer eine langsame Rotationsbewegung zu erteilen, rungsteil 9 sind so ausgebildet, daß ihre Stellungen Dadurch werden die Gase wirksam durchmischt, unabhängig von 7 in senkrechter Richtung verschoben Wenn die Verbrennung unter scharfen Bedingungen und dadurch die Spalte der Öffnungen 10 und 11 15 durchgeführt wird, besteht die Neigung, daß die reguliert werden können. Die brennbaren vorgewärm- Brenneroberfläche beschädigt werden kann. Dann ten Gase und Sauerstoff werden durch konzentrische wird eine Kühlung der Teile 7, 8 und 9 durch Hinzylindrische Durchlässe 3 und 4 und die Öffnungen 10 durchleiten von Kühlwasser durch sie erforderlich, und 11 der Brennkammer zugeführt. Die Länge der Brennkammer sollte zur vollstän-

Nach verschiedenen Untersuchungen über die rela- 20 digen Verbrennung ausreichend sein. Sie hängt von tiven Stellungen der Einlaßöffnungen 10 und 11 für der Flammengeschwindigkeit und von der Art der Brennstoff bzw. Sauerstoff wurde erfindungsgemäß Gase ab. Die Ergebnisse von Untersuchungen der gefunden, daß die Flamme in Richtung dei Resultie- Erfinder über verschiedene Brennstoffe zeigten, daß, renden aus dem Vektor des Brennstoffdurchganges wenn die oben beschriebenen Düsen verwendet werden, durch die Öffnung 10 und dem Vektor des Sauerstoff- 25 eine Länge von 100 bis 250 mm von der Einspritzdurchganges durch die Öffnung 11 erzeugt wird. Dem- oberfläche der Gase an ausreichend ist. entsprechend kann durch geeignete Wahl der Ein- Die Rohkohlenwasserstoffe sollten unmittelbar nach Spritzgeschwindigkeiten und der Winkel von Brenn- vollständiger Verbrennung eingespritzt werden, und stoff und Sauerstoff die so gebildete Flamme zylindrisch zwar unter der Bedingung, daß ihre Durchmischung und parallel zur Ofenachse eingestellt werden, ohne 30 mit dem Verbrennungsgas in kurzer Zeit vollzogen daß sie mit der Wand· in Berührung kommt. Im werden kann. Für diesen Zweck ist es wünschenswert, übrigen kann die Strömungsgeschwindigkeit der die die Einspritzgeschwindigkeit ausreichend groß zu Öffnungsspalte 10 und 11 durchtretenden Gase den halten und den Rückwärtsstrom der Rohkohlenwasser-Erfordernissen entsprechend verändert w.erden, da die stoffe in die Brennkammer weitgehend zu vermeiden. Breite der öffnungen 10 und 11 durch Verschieben 35 Zu diesem Zweck sollten die Rohstoffeinspritzöffnunvon 8 in bezug auf 9 in eine vorbestimmte Stellung gen an dem Teil Γ mit einem geringeren Durchmesser veränderlich ist, so daß ein Brenngas geeigneter Art als dem der Brennkammer angeordnet sein, wie in und auch jede gewünschte Brennstoff- und Sauerstoff- F i g. 1 gezeigt.

menge verwendet werden kann. Dadurch wird der Die vorstehende Beschreibung gilt für den Fall, daß Anwendungsbereich einer Ofenanlage erheblich er- 40 nur ein Satz Düsen verwendet wird. Jedoch kann das weitert. Bei der Berechnung des Ofens erhebt sich das Düsenstück aus vielen Düsensätzen in geeignet verProblem der Bestimmung der Einlaßwinkel von teilter Lage an der Oberseite der Brennkammer beBrennstoff und Sauerstoff und der Abstand zwischen stehen. F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ihnen. eine Anzahl von Düsen angeordnet ist.

Die Anordnung der Sauerstoffdüse auf der Innen- 45 Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele

seite bewirkt das Abrücken des durch die Verbrennung näher erläutert:

entstandenen sehr heißen Kerns von der Ofenwand. _ . · , ,

Wenn die Einspritzwinkel von Brennstoff und Sauer- ^μ

stoff groß gehalten werden und der Abstand zwischen Propan-Brennstoff

ihnen klein und die Strömungsgeschwindigkeit ver- 50 _{Es wurde eine} Vorrichtung, wie in F i g. 1 gezeigt,

größert .st, nähert sich der Entzündungspunkt der _{mit folgenden Daten} verwendet: Flamme der Brenneroberflache (Fig. I, Linie a-a),

so daß die Verbrennungsverluste der Brennerober- Brennkammerdurchmesser 70 mm

fläche anwachsen. Wenn andererseits der Einspritz- Länge 165 mm

winkel von Brennstoff und Sauerstoff klein gehalten 55

wird und der Abstand zwischen ihnen groß und die Durchmesser des Teiles 1', durch das die

Strömungsgeschwindigkeit niedriger ist, werden die Rohstoffe eingespritzt werden 35 mm

Spalte zwischen den Einspritzöffnungen und dem Durchmesser des Sauerstoffeinlaßringes 43,5 mm

Entzündungspunkt größer. Außerdem ist die Durch- „, , , „ . . _n . ._n ,

mischung von Brennstoff und Sauerstoff unzureichend, 60 Durchmesser des Propangaseinlaßrmges iO.D mm

wodurch eine Vergrößerung der Brennkammer er- ^{Weite der} R'^use.fur Sauerstoff .... 1,5 mm

forderlich wird, und die Wärmeverluste steigen unvor- Weite der Ringdüse für Brennstoff .... 1,0 mm

teilhaft an. Die optimale lineare Geschwindigkeit Kreuzungswinkel der beiden Düsen ... 60' liegt zwischen 50 und 350 m/Sek. und der gunstigste

Einspritzwinkel zwischen 40 und 90°. 65 Dieser Vorrichtung wurden zugeführt 1,79 Nm³/

Eine zylindrische Flamme, die aus durch Düsen von Min. Sauerstoff, 0,358 Nm³/Min. Propanbrennstoff,

feinen Löchern eingespritzten Gasen wie bei be- 1,67 kg/Min. Rohöl und 1,0 Nm^:!/Min. Wasserdampf,

kannten Vorrichtungen gebildet wird, weist Abstände der zusammen mit dem Rohöl zugeführt wurde. Diese

Stoffe wurden miteinander umgesetzt, wonach Gasgemisch folgende Zusammensetzung hatte:

das gewärmt worden. Die Zusammensetzung des Gasgemisches nach der Reaktion war folgende:

,/O₁
8,35°/₀C.H„
9,50»A, C₂H₄

25,8% CO' 32,76% H₂ 10,26% CH₁

33,0% CO
5,61 % CH₁
11,38% CO₂

10,35% C₂H₂
3,91% C₂H₁
35,5% H₂

Die Gesamtausbeute an C₂H₂ + C₂H₄ betrug 46,3 %. Sämtliche zugeführten Gase waren vorher auf 200⁰C vorgewärmt worden.

Beispiel 2

Propan-Wasserstoff-Brennstoffe

Bei derselben Vorrichtung wie im Beispiel 1 wurde die Breite der Einspritzdüse für Brennstoff auf 1,5 mm eingestellt und die Reaktion durchgeführt. Die hindurchgeleiteten Gasmengen waren folgende: Sauerstoff 1,434 Nm³/Min., Wasserstoff 1,673 Nm³/Min., Propan 0,1195 Nm³/Min., Rohöl 1,34 kg/Min, und Wasserdampf 1,0 Nm³/Min. Sämtliche Gase waren auf 200° C vorgewärmt worden. Die Zusammensetzung des Gases nach der Reaktion war folgende:

6,03% CO₂ 17,90% CO

10,40% C₂H₂ 46,14% H₂

9,65% C₂H₁ 9,88% CH₁

Die Gesamtausbeute an C₂H₂ + C₂H₄ betrug 51,9 %. ·

Beispiel 3

Verwendung von durch die Reaktion gewonnenen

Gasen als Brennstoff

Bei derselben Vorrichtung wie im Beispiel 1 wurde eine Schraube 9' (F i g. 3) für die Sauerstoffeinspritzung verwendet, um dem Gas eine Rotationsbewegung zu erteilen. Die hindurchgeleiteten Gasmengen waren folgende: Sauerstoff 1,33 Nm³/Min., Brennstoff 2,33 Nm³/Min., Rohöl 1,443 kg/Min., Wasserdampf 0,23 Nm³/Min. Sämtliche Gase waren auf 250⁰C vor-Durch Abtrennung von CO₂, C₂H₂ und C₂H₄ wurde das oben beschriebene Gas als Brennstoff verwendet. Die Gesamtausbeute an C₂H₂ + C₂H₁ betrug 46,38%.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen in einem Strom heißer Verbrennungsgase, bestehend aus einer Verbrennungskammer mit sich unmittelbar in diese öffnenden Düsen für die getrennte Einführung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff, aus einer mit der Brennkammei in Verbindung stehenden Reaktionskammer und einem die beiden Kammern verbindenden Einlaßteil für die axiale Zufuhr der zu spaltenden Kohlenwasserstoffe, welches einen kleineren Durchmesser hat als die Brennkammer und die Reaktionskammer, d adurch gekennzeichnet, daß konzentrische, ringförmige Düsen (10, 11) zur Einführung von Brennstoff und Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas vorgesehen sind, die durch einen fest angeordneten, zylindrischen Außenmantel (7) und verstellbare Teile (8, 9) zum unabhängigen Einstellen der Breite der jeweiligen Düsenöffnungen (10, 11) gebildet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen, ringförmigen Düsen (10, 11) zur getrennten Einführung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff miteinander einen Winkel von 40 bis 90" bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen