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Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Gasen.
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Zusatz zu Patent .... (Pat.Anm. P 15 26 017.0).
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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Erhitzen
von Gasen auf hohe Temperaturen.
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In der USA-Patentschrift 3 004 137 ist eine elektrisch verstärkte
Flamme beschrieben, wobei eine elektrische Entladung in einer Flamme verteilt wird,
die durch chemische Verbrennung erzeugt ist, so daß der durch die chemische Verbrennung
erzeugten Wärme von der elektrischen Energie abgeleitete Wärme zugegeben wird. Bei
der elektrischen Entladung werden im Gegensatz zu einem elektrischen Lichtbogen,
bei dem eine niedrige Spannung und ein starker Strom verwendet werden und der zwischen
zwei Elektroden zu schmaler Fadentorm konzentriert wird, eine hohe Spannung und
ein schwacher Strom verwendet.
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Eine solche elektrisch verstärkte Flamme führt zu nützlichen Ergebnissen.
Beispielsweise werden die Probleme hinsichtlich der Zufuhr elektrischer Energie
verringert, weil große Energiemengen bei zweckmäßig hohen Spannungen zugeführt werden
können. Da verhältnismäßig schwache Ströme verwendet werden, sind die Ausführung
und Wartung von Elektroden in großem Ausmaß vereinfacht. Weiterhin wird in der gesamten
Flamme eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur aufrechterhalten. Von größter
Bedeutung ist, daß Temperaturen mit gewöhnlichen Brennstoffen erhalten werden können,
die sonst nur mit teuren Brennstoffen, wie Acetylen, Zyan usw. erhalten werden können.
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Die Bezeichnung"verteilte Entladung benennt eine Art von elektrischer
Entladung hoher Energie, bei welcher eine hohe Spannung und ein schwacher Strom
verwendet werden im Gegensatz zu dem elektrischen Lichtbogen, bei welchem eine niedrige
Spannung und ein starker Strom verwendet werden, und bei welchem das Bestreben besteht,
sich in einen schmalen übererhitzten und somit elektrisch hochleiträhigem Kanal
zwischen zwei Elektroden zusatfltnenzuziehen.
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Durch die Erfindung werden gegenüber dem Verfahren und der Vorrichtung
gemäß der genannten USA-Patentschrift 5 004 157 beträchtliche Vorteile erhalten,
indem beispielsweise eine dort beschriebenAilektrisch verstärkte Flamme leichter
entzündet werden kann und indem die elektrische Entladung in der Flamme und in den
iVerbrennungsprodukten
gleichmäßiger verteilt ist. Dadurch kann
mehr elektrische Energie in die heißen Gase eingeführt werden, als es durch Verwendung
des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der genannten USA-Patentschrift möglich
ist, ohne eine Kontraktion der Entladung in einem Lichtbogen hervorzurufen.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung können die oben genannten
Verbesserungen für verschiedene chemische Reaktionen verwendet werden, insbesondere
für die Gasphasensynthese von Acetylen. Insbesondere wird eine verteilte elektrische
Entladung in Kombination mit Verbrennung in einem neuartigen kombinierten Verfahren
und einer dafür geeignten Vorrichtung angewendet, um die Synthese von Acetylen zu
erhalten. Bei dieser vorteilhaften Abwandlung wird das Pyrolysezuführmaterial, beispielsweise
Naturgas, in ringförmiger Strahlströmung eingeführt, und zwar konzentrisch zu dem
Strom der Verbrennungsprodukte und diesen Strom umgebende Danach werden aus Zweckmäßigkeitsgründen
Methan und Naturgas austauschbar verwendet. Mischen und elektrisches Erwärmen treten
in dem gleichen Teil des Reaktors auf und sie haben Jeweils das Bestreben, die Wirkungen
des anderen aufzuheben, um eine nahezu isothermische Reaktionszone zu erzeugen.
Als ein Beispiel für die mit der Erfindung erzielten Vorteile bei Verwendung für
die Synthese von Acetylen wurden bei einer bevorzugten Ausführung eine Acetylenkonzentration
von 12,23 Von.% (gleichwertig zu 22,80 Gew.%) bei Versuchsbedingungen erhalten.
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Gegenwärtig wirtschaftlich verwendete Teilverbrennungsverfahren, die
sehr optimal arbeiten, erzeugen annähernd 7 - 8 Von.% an Acetylen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung
beispielsweise erläutert.
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Fig. 1 isçeine graphische Darstellung einer Reihe von Kurven, welche
die theoretisch berechneten elektrischen Leitfähigkeiten von Gasen mit sich ändernden
Konzentrationen ionisierender Materialien im logarithmischen Maßstab als Funktion
der Temperatur wiedergeben.
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Fig. 2 ist eine gebrochene mittlere Längsschnittansicht eines Brenners,
an welchem die Erfindung verkörpert ist, wobei die elektrischen Verbindungen schematisch
und die Richtung der Gasströmung durch den Brenner hindurch durch einen Pfeil angezeigt
ist.
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Fig. 5 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Längsschnittansicht
eines bei dem Brenner gemäß der Fig. 2 verwendeten Hilfsrohres.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht des Hilfsrohres gemäß Fig. 3.
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Fig. 5 ist eine teilweise gebrochene Teilseitenansicht einer Einrichtung,
die zum Einführen ionisierender Additive in den Brenner gemäß
Fig.
2 verwendet wird.
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Fig. 6 ist eine Schnittansicht nach Linie VI-VI der Fig. 2.
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Fig. 7 ist eine Schnittansicht nach Linie VII-VII der Fig. 2.
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Fig. 8 ist eine gebrochene mittlere Längsschnittansicht einer abgewandelten
Ausführungsform eines Brenners, der für chemische Reaktionen verwendet wird und
insbesondere für Gasphasenpyrolyse von Methan bei der Bildung von Acetylen.
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Fig. 9 ist eine abgewandelte Ausführung eines Reaktors mit einem
Brenner gemäß der Erfindung, wobei Radialeinführung von Methan in der vierten Stufe
ft3t die Synthese von Acetylen angewendet wird.
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Fig. 10 ist eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines
Reaktors mit einem Brenner gemäß der Erfindung, wobei Mantelströmung mit Einführung
von Methan in der dritten Stufe für wirtschaftliche Synthese von Acetylen aus Methan
angewendet wird.
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Fig. 11 ist eine Schnittansicht der Verteilerleitung der Elektrode
der dritten Stufe, mit der die Mantelströmung gemäß der Erfindung für die Synthese
von Acetylen erhalten wird.
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Fig.12 ist eine Schnittansicht nach Linie XII-XII der Fig. 11.
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Um eine elektrische Entladung hoher Energie in einem hochdiffundierten
Zustand in einem gasstrom zu verteilen
und die Bildung von Lichtbögen
oder fadenartigen Entladungen zu vermeiden, ist es notwendig, dass der gasstrom
vor Anlegen der Entladung gewisse physikalische Charakteristiken aufweist. erstens
muss das was einen gesteuerten Grad elektrischer Leitfänigkeit haben. diese bedingung
wird durch Zuführen ionisierender Additive zu dem Was, beispielsweise durch Zuführen
von pulverisiertem Kaliumchlorid octer anderem material mit niedrigem Ionisationspotential,
und durch brhitzen des Gases auf eine emperatur erhalten, bei welcher die ionisierenden
additive verdampft und ionisiert werden, wie es nachstehend erläutert wird.
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Zweitens müssen die Gase in hohem Ausmass turbulent sein, so dass
eine gleichmässige Verteilung der ionisierten Additive in den Gasen erhalten wird.
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Drittens müssen die Gase auf eine Temperatur erhitzt werden, bei
welcher der Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfänigkeit sich dem Wert Null
nähert. D.n. die elektrische Leitfänigkeit der Gase nimmt bei Erhönung der Temperatur
um 1000° K nicht mehr als um den Faktor 2 zu. sie bedeutung dieser dritten bedingung
ist in den Kurven der Fig. 1 dargestellt, in welcher die theoretiech berechneten
elektrischen Leitfähigkeiten von Gasen mit sich ändernden Konzentrationen von Kaliumchlorid
im logarithmischen Massstab über der Temperatur aufgezeichnet sind. In Pig. 1 stellen
die Kurven 1, 2, 5 und 4 Ausgangskonzentrationen von Kaliumchlorid dar, die mit
zunehmender Kurvenbezeichnung um
den laktor 10 abnehmen. Diese Kurven
1 bis 4 sind unter der Annahme eines konstanten blektronenbeweglichkeitswertes und
unter Vernachlässigung einer nicht durch die additive erhaltenen Ionisation der
Gase berechnet worden bs ist aus lig. 1 ersichtlich, dass bei niedrigen Temperaturen
die elektrische Leitf @higkeit mit der Temperatur schnell zunimmt, dass jedoch oberhalb
einer gewissen Temperatur innerhalb des dargestellten Temperaturbereichs keine wesentliche
Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit vorhanden ist und die Leitfähigkeit für jede
Konzentration ionisierender additive einen gewissen etwa gleichbleibenden Wert erreicht.
Wemi die temperatur des Gases sicti unterhalb des Punktes befindet, an welchem die
elektrische leitfähigkeit den etwa gleichbleibenden Wert erreicht, wird bei Anlegen
einer elektrischen entladung die elektrische Leitfähigkeit des gases durch die Temperaturerhöhung
des Gases zufolge der Zugabe elektrischer bnergie schnell erhöht und es besteht
eine grosse Wahrscheinlichkeit, dass die bntladung zu einem Lichtbogen oder einem
bündel fadenartiger Lntladungen zusammenbricht. enn jedoch die Temperatur des gases
vor Anlegen der elektrischen entladung derart ist, dass die elektrische Leitfähigkeit
des Gases sich einem etwa gleichbleibenden Wert angenähert hat, d.h. der Temperaturkoeffizient
der elektrischen Leitfähigkeit sich dem Wert Null angenähert hat, wie es oben beschrieben
ist, dann wird die elektrische Leitfähigkeit durch eine Temperaturerhöhung zufolge
der
angelegten elektrischen Energie nicht merkbar erhöht. zur Fig. 1 ist ersichtlich,
dass sowohl die Konzentration von einen as zugegebenen ionisierenden Additiven als
auch die temperatur bestimmen, wenn die elektrische Leitfähigkeit einen etwa gleichbleibenden
wert erreicht.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Gasstrom für die Anwendung
einer verteilten elektrischen Entladung hoher Energie in zwei btufen ouer Zonen
gebildet.
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In der ersten Stufe oder Zone wird eine verhältnismässig kleine Menge
eines brennbaren u-emischs verbrannt, um eine Zünd- oder Hilfsflamme zu bilden und
das Material, welches als ionisiererldes Additiv wirkt, beispielsweise Kaliumchlorid
oder andere leicht ionisierbare Materialien mit niedrigen Ionisationspotentialen,
wird in die tilfsflamme gefehrt, die diese Materialien erhitzt und teilweise verdampft
und ionisiert.
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In der zweiten Stufe oder Zone wird der est des brennbaren Gemisches,
das verbrannt wird, um die Verbrennungsenergie in dem Verfahren zuzuführen, in die
Hilfsflamme eingeführt und durch diese entzündet. sie Verbrennungsflamme oder Hauptflamme
vervollständigt die Verdampfung der ionisierenden Materialien und ionisiert diese
weiter, jedoch nur zu einem solchen Grad, dass die Gase eine verteilte elektrische
Lntladung nur dann ertragen bzw. unterstützen, wenn die energie der elektrischen
Entladung auf einem verhältnismässig niedrigen wert gehalten wird. Ijenn die elektrische
Energie
über diesen Wert hinaus erhönt wird, bricht die elektrische Entladung zu einem Lichtbogen
oder zu einer Gruppe fadenartiger Lichtbogen zusammen, die zusamr, len das Aussenen
eines dicken Lichtbogens ergeben. Demgemäss wird in dieter zweiten Stufe den Gasen
zusätzliche Wärme zugeführt, um inre Temperatur auf einen Wert zu erhönen, bei welchem
die Additive wenigstens zu 50% ionisiert sind und die elektrische e Leitfähigkeit
der r Gase bei einer Temperaturerhöhung von lU0b0.. am Hicht mehr als einen Faktor
2 zunimmt. Dies wird daduren erhalten, dass eine elektrische Entladung in den Gasen
stromab der Hilfsflamme aufrecnterhalten wird. Den uasen wird in dieser zweiten
Stufe oder Zone genügend elektrisene energie zugeführt, um die Additive in dem oben
beschriebenen Ausmass zu ionisieren und die Verbrennung der brennbaren Gemische
zu vervollständigen. In dieser stufe sind die Gase in honem Ausmass turbulent, so
dass die elektrische Leitfähigkeit in den Gasen gleichmässig ist, wenn diese die
zweite Stufe verlassen, und de Sase sind auf eine Temperatur erhitzt worden, bei
welcher der Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit sich dem wert Null
nähert, Die Gase strömen dann in eine dritte Stufe oder Zone, in welcher der grösste
Teil der gesamten elektrischen Dnergie angelegt wird. sie energie wird in Form einer
elektrischen Entladung angelegt, die zufolge des günstigen Zustandes der Gase in
nochdiffundiertem Zustand in den Gasen verteilt wird.
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In Fig. 2 ist ein Drenner wiedergegeben, un welchem die
erfindung
verkörpert ist und welcher einen lock 8 aus Isoliermaterial aufweist, der mittels
eines @ lansenes @ und Bolzen 11 an dem Hauptkörper des Brenners halten ist Der
Hauptköpoer 10 meist eine Zylindrische Ausnehmung 12 in seiner Basis auf, in welche
sien der Flock 8 teilweise erstreckt. @h elner stelle auf annänern@ der Halfte der
Tiefe der Ausnehmung 12 ist der Durchmesser des Isolierblocks 8 verringert, um eine
Koniscne verlängerung 12 mit einem durengang zu schaffen. Das stromabwärtsseitige
@e Ende des Hauptkörpers lu weist eine Teile von konzejitrierten zylindrischen Ausnehmungen
14, 15 und 16 auf, deren Durenmesser in der genannten Reihenfolge abnimmt und die
witere leile der Vorrichtung abstützen, wie es nachstenend erläutert wird.
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Ein metallenes Brennerrohr 17 erstreckt sich duren den Flansch 9,
durch einen Durchgang 18 in dem Isolierblock 8 und durcn die Verlägerung 13 des
lockes 8 Hinduren. @on der Verlängerung 13 aus erstreckt sich das Ronr 17 durch
einen Durchgang 19 in dem Hauptköroer 10 nindurch, welcher die Ausnehmungen 12 und
16 miteinauder verbindet. Jenseits der verlängerung 13 erweitert sich das Ronr 17,
so dass sein Durchmesser zunimmt, und es endigt ungefänr in der Ebene zwischen den
Ausnehmungen 1 und 1U.
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Ein Hilfsbrennerkopf 20 ist in der Ausnenmung 1 5 des haustkörpers
10 mittels eines Schaftes 21 mittig angeordnet, der in das Rodr 17 passt und in
ihm durch Schrauben enalten
ist, von denen eine bei 22 dargestellt
ist. in Hilfsronr 23 erstreckt sicn durch das rohr 17 und den Schaft 21 hindurch
zu einer Stelle iiahe ucin Brennerkopf 20. Das iilfsronr 23 wird verwendet, um Erennstoff
und ionisierende Additive dem Brennerkopf 20 zuzufünren, und der Ringraum zwischen
deil Ronren 17 und 23 -wird verwendet, um dem Erennerkopf 20 Luft oder Sauerstoff
zuzufünren. Wie in den fig. 3 und 4 wiedergegeben, ist das innere Ende des Rohres
23 geschlftzt derart, dass in einem gewissen ausmass ein vormischen des Brennstoffes
mit der Luft bzw. dem Sauerstoff vor Lrreichen des Brennerxopfes 20 erhalten wird.
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Sin. Fanken zwischen dem Schaft 21 des Brennerkopfes 20 und dem äusseren
Ehde des Rohres 23 wird zum Entzünden einer zünd- oder filfsflamme an dem Ropf 20
verwendet. binde hadiofrequenz-Spannungsquelle 24 dient zur Brzeugung des Funkens.
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Line Leitung 25 verbindet die Spannungsquelle 24 mit dem Ronr 23,
und Leitungen 26 und 27 verbinden cie Spannungsquelle 24 über das nohr 17 mit dem
Schaft 21. Jic Leiter 27 erstreckt sicn durch einen radialen Durchgang 28 in dem
Hauptkörper lu hindurch und ist in dem Druchgang mittels eines Isolierstopfens 29
mittig angeordnet.
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In Fig. 5 ist eine Linrichtung wiedergegeben, die verwendet wird,
um durch das Hilfsrohr 23 hindurch ionisierende additive iii die Hilfsflamme einzufünren.
sie @inricntung gibt in den Brennstoffstrom Ealiumchloridpulber ab, das in einer
Kugelmünle gemahlen und gesiebt worden ist, bis es
durch ein Sieb
mit einer Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh screen) hindurchgeht. Das Pulver wird
von einem Schwingzuführer (nicht dargestellt) einem Rohr. 30 zageführt, das über
eilie biegsame Rohrverbindung 31 mit der Basis eines aus Glas bestenenden T-Stücks
33 verbunden ist. an dem Rohr 30 ist in der basis 32 ein Sieb 34 mit einer Mascnenweite
von etwa 0,08 mm (180 mesh screen) angeordnet, welches irgendwelene agglomerierten
Partikel aufbricht. ein Hilfsvibrator 34a hält das ieb frei. bin i. ohr 35, das
von einer nicht dargestellten Brennstoffquelle (beispiels-Weise Methan) kommt, ist
mit einem Arm des T-Stücks 33 verbunden. Dr andere Arm des T- Stücks 33 trägt ein
hoher 36, das zu dem Hilfsronr 23 führt.
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Der Hauptanteil des brennbaren Gemisches wird aussernalb der Einrichtung
gemischt unci durch eine Öffnung 37 hindurch der Ausnehmung 12 in dem Hauptkörper
10 zugefünrt. Von der Ausnehmung 12 strömt das brennbare Gemisch durch den Ringraum
zwischen dem ohr 17 und den durchgang 19 in dem Hauptkörper 10 und aurch Öffnungen
38 in dem Rohr 17 hindurch in den Raum zwischen dem Schaft 21 und dem Ronr 17 unc
danach nacu aussen an dem Brennerkopf 21 vorbei, wo es entzündet wird. Eine mit
Gffnungen versenene Eülse 39 ist rund um die konische Verlängerung 13 des Blockes
8 and innerhalb der Ausnehmung 12 des Hauptkörpers 10 angeordnet, um das brennbare
Gemisch in der Ausnehmung 12 zu verteilen und das Mischen zwischen dem Erchnstoff
und den Oxydationskomponenten
des brennharen Gemisches zu verbessern.
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Die so weit beschriebenen teile der Vorrichtung stellen die erste
Stufe oder Zone dar.
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@ie zweite Stufe der Vorrientung weist ein Ronr 40 aus Hitzebest
indigem Glas, beispielsweise aus dorsilikatglas aui, dessen Stromaufwärtsseitiges
Ende ist in die ausnehmung 16 des nauptkörpers 10 eingepasst. Din zweites nohr 41
aus transparentem Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Polymetnaerylsäureesterkunststoff
umgibt das-iohr 40 und ist an seinem stromaufwärtsseitigen Ende in die Ausnehmung
14 des mauptkörpers 10 eignepasst. Eine Elektrode 42 ist an den. stromabwartsseitigén
nde der Ronre 40 und 41 angeordnet. Sie hat die Form eines hohlen zylindrischen
Körpers, der an einem Ende Konzentrische bohrungen 43, 44 und 4 it In dieser Reihenfolge
sich vergrösserndem durch messer auiweist. Die Rohre 40 una 41 sinu in die bohrungen
43 bzw. 45 eingepasst. sie Elektrode 42 kann Entladungsstellen bzw. -spitzen 42a
und 4'b aufweisen, um das Anlegen einer elektrischen Ehtladung an die neisse Mitte
der durch den brenner hindurenströmanden Gase zu unterstützen und das Ronr 40 durch
Ableiten elektrischer Lichtbogen von seinem Umfang z-u schützen.
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Hin klanscti 4b ruht auf einer schulter 47, Clie in dem Aussenumfang
der Elektrode 42 gebildet ist. bolzen 48 und Muttern 49 halten die Elektrode 42
und die Rohre 40 und 41 an dem Hauptkörper 10.
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Ein in dem Rohr 40 zu diesem konzentrisch angeordnetes metallrohr
50 erstreckt sien von dem stromabwärtsseitigen Ende des brennerrohres 17 in Richtung
auf die Elektrode 42 und wird als Elektrode zum Anlegen einer elektriscnen Entladung
an Gase innerhalb des Rohres 40 zwischen dem Ronr 50 und der Elektrode 42 verwendet.
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Eine Hochspannungswechselstrom-Energiequelle 51 ist mittels elner
Leiter, 52, die mit der Leitung 27 Verbanden ist und durch Leitungen 53 unct 54
an das Rohr 5 una die Elektrode 42 geschaltet, von denen die Leitung 54 mit der
elektrode 42 verbunden ist. bas Rohr 50 Kann Entladungsspitzen 50a für den gleichen
Zweck wie die lektroue 42 die Entladungssptizen 42a unu 42b aufweisen.
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Innerhalb des Rohres 4u befindlicne Gase haben eine hone Temperatur,
so dass eine Wasserkühlung verwendet wird.
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Küalwasser fliesst duren einen Durchgang 10a in dem auptkörper 10
hindurch zu einer Ausnehmung in dem Hauptkörper 10, dann zu dem hingraum zwischen
den Rohren 40 unu 41, dann in die bohrung 44 der Elektrode 42 und von der Bohrun
44 durch eine Öffnung 42c in der Elektrode 42 nach aussen. Die Elektrode 42 ist
noch weiter wassergekünlt. Wie in Fig. 6 dargestellt, kaini Wasser einem von zwei
raaialen Durchgängen 46a, die in dem Flansch 46 gebildet sind und sich zu einer
ut 42d erstrecken, die auf der fhnenseite des Flansches 46 in die Aussenfläche der
Elektrode 42 geschnitten ist, zugeführ t werden.
mine mit einer
Offnung versenene Platte 55 ist am stromabwärtsseitigen Ende der Elektrode 42 befestigt
und weist eine uffnung 56 auf, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser
der hohlen Llektrode 42 ist.
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Hiermit ist die Beschreibung der zweiten Stufe oder Zone der Vorrichtung
gemäss der Erfindung vervollständigt.
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Die dritte Stufe oder Zone der Vorricltung gemäss der Erfindung weist
ein zweites aus Hitzebeständigem Glas bestenendes itohr 57 auf, das sich von der
mit der Öffnung 56 versehenen Platte 55 erstreckt und zu der Offnung 56 konzentrisch
liegt. Das stromabwärtsseite bnde des Rohres 57 trägt eine zweite elektrode 58 in
Form eines hohlen hinges, dessen Innendurchmesser eine Öffnung 59 bildet, deren
Durchmesser kleiner als uer Innendurchmesser des rohres 57 ist.
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Das stromaufwärtsseitige Ende des rohres 57 ist an der Öffnungsplatte
55 durch Drähte 60 befestigt, die sich rund um bolzen 48 und Haken 61 erstrecken,
die an der Aussenfläche des kohres 57 nahe seinem stromaufwärtsseitigen Ende befestigt
sind. sie Elektrode 58 ist an dem stromabwärtsseitigen Ende des rohres 57 durch
i)rähte 62 befestigt, die sich rund um Haken 63, die an der Aussenfläche des rohres
57 nahe seinem stromabwärtsseitigen Ende befestigt sind, und um Haken 64 erstrecken,
die an der Aussenfläche der Elektrode 58 befestigt sind.
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Eine zweite Hochspannungsweenselstromquelle 65 ist durch
eine
mit der Leitung 54 verbundene Leitung 66 und durch eine mit der Elektrode 58 verbunaene
Leitung 67 an die Elektroden 42 und 58 geschaltet.
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Die Llektrode 58 ist ebenfalls wassergekühlt, wobei das Kühlwasser
ihrem hohlen Innenraum durch zweckentsprechende Einrichtungen (nicht dargestellt)
zugeführt wird Nachstehend wird die Arbeitsweise der Vorrichtung beschrieben. Ein
brennstoff, beispielsweise Methan, und ein ionisierendes Additiv werden durch das
Hilfsrohr 23 hindurch in den Schaft 21 des Ililfsbrennerkopfes 20 gefüllrt. Oxydationsmaterial
(Luft oder reiner Sauerstoff) wird durch das ohr 17 hindurch zugeführt und mischt
sien innerhalb des Schaftes 21 am Ende des Hilfaronres 23 mit dem Drennstoff und
dem Additiv. bas brennbare Gemisch wird uurch einen Funken entzündet, der von der
Radiofrequenz-Spannungsquelle 24 zugeführt wird und es brennt an dem Hilfsbrennerkopf
20.
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Das Hauptvolumen des brennbaren gemisches strömt durch die Offnung
37 hindurch in die ausnehmung 12 des Hauptkörpers 10, dann durch die Öffnungen 38
in dem Erennerrohr 17 hindurch in den kaum zwischen dem brennerkopf 20 und dem ohr
50, wo es durch die Hilfsflamme entzündet wird.
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Die der Hilfsflamme zugeführten Gase werden in dem Rohr 50 vollständig
verbrannt und des Hauptvolumen der durch die uffnung 37 zugeführten Gase wird entzündet.
In
der Flamme findet weiterhin eine teilweise Verdampfung des ionisierenden
additivs statt und das Rohr 50 hat eine ausreichende Lange, um eine für eine solcne
teilweise Verdampfung erforderliche Verweilzeit für die Additive zu schaffen. kiese
Menge ist aurch Berechnungen bestimmt, die auf Wärmeübertragungsgesichtspunkten,
auf der yartikelgrösse des Ad@itivs, der Geschwindigkeit der Partikel und der Flammentemperatur
beruhen, Die Gase sind in dem gev,ünschten nohen Ausmass turbulent, jedoch ist ihre
elektrisene Leitfähigkeit gering und zufolge des geringen ausmasses an ionisation
des ionisierenden Additivs nicht gleichmässig. Um die Gase aul eine temperatur zu
bringen, bei welcher die elektrische Leitfähigkeit sich einem etwa gleichbleibenden
Wert nähert, wie es in den Kurven 1 bis 4 in lig. 1 dargestellt ist, wird den Gasen
eine fiochspannungsentladung (bei etwa 200V bis 3000 Volt) mit verhältnismässig
schwachem Strom (10 bis 20 Ampere) zwischen dem stromabwärtsseitigen bnde des Rohres
50 und der Elektrode 42 über lagert bzw aufgedrückt. Der Betrag des Stromes hängt
von der Konzentration des ionisierenden Additivs und der Art der Entladung ab. bei
niedrigen Additivkonzentrationen und bei niedrigem Energieniveau bleibt die Xntladun
gleichmässig verteilt. Hohere Additivkonzentrationen und höhere Energie niveaus
bewirken, dass die Entladung fadenartig wird. Jedoch beeinflusst eine fadenartige
Entladung in der zweiten Stufe das Arbeiten der dritten Stufe nicht. sie wientigen
Funktionen
der ersten und der zweiten Stufe bestehen erstens darin,
den Gasen Energie zuzuführen, um sie auf die geforderte riohe Temperatur zu erhitzen,
und zweitens darin, eine genügende Verweilzeit zu schaffen, um die Additive zu verdampfen
und in dz erforderlichen Ausmass zu ionisieren. ber betrag der in die zweite stufe
eingefünfrten eleK-trischen energie beträgt ungefähr 10 bis 20% der Verbrennungsenergie.
sie Verbrennung ist im wesentlichen vollständig (mehr als 95%) und die ionisierenden
Additive Haben das zuvor besenriebene hone Ausmass an Ionisation erreicht.
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Auf solche Weise in der zweiten stufe behandelte Gase werden in die
dritte Stufe innerhalb des Rohres 57 gefünrt und befinden sich in einem Zustand,
in welchem eine elektrisene Entladung zwischen den Elektroden 42 und 58 angelegt
werden Kann. Da die Gase turbulent sind und eine hone lemperatur haben, bei welcher
der emperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit sich dem Wert Null nähert,
wird die entladung in hochdiffundiertem Zustand in den Gasen gleichmässig verteilt
und den Gasen kann eine sehr beträentliche Menge elektrischer Energie zugeführt
werden, wodurch ihre temperatur weiter erhöht wird Die nachfolgenden Daten wurden
beim tatsächlichen Betrieb der oben beschriebenen Vorrichtung. erhalten. Die Hilfsflamme
wurde aufrechterhalten durch eineh Sauerstoffstrom von etwa 5b,6 dm3/min (2 cubic
feet je Minute) ; und einem Naturgasstrom von etwa 28,3 dm3/min (1 cubic feet je
Minute),
Kaliumchloridsalz wurde in die Hilfsflamme in einer Menge eingespritzt, die einem
artialdruck im Bereich zwischen 0,67 x 10 5 und 2 x 10 5 Atmosphären entspricht.
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Die Hauptverbrennungsflamme wurde durch Luft in einer Menge von etwa
1570 dm3/min (55,5 cubic feet je Minute) und Naturgas in einer Menge von etwa 165,
5 dm)/min (5,85 cubic feet je Minute) aufrechter. lalten. Die spannung in der zweiten
Stufe zwischen dem Rohr 50 und der Elektrode 42 wurde auf 1500 Volt genalten, wodurch
ein Strom von 15 Ampere erzeugt wurde.
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Die Gase in der zweiten Stufe empfingen 100 KW Verbrennungsenergie
und 22,5 S\i elektrische Energie Bei Zulassen von Wärmeverlusten in Höhe von 10%
betrug die dem Gas zugeführte Energie 1549 Keal je Minute. Unter Verwendung der
Wärmekapazität voll Stickstoff als Annäherung kanui die Temperatur des in die dritte
Stufe eintretenden Gases mit annähernd 2985°K berechnet werden0 bei einem Arbeitsgang
wurden 4500 Volt zwischen der lektrode 42 und der elektrode 58 angelegt, wodurch
ein Strom von 15 Ampere erzeugt wurde. bei einem anderen arbeitsgang betrug die
angelegte Spannung 2000 Volt und der erzeugte Strom lag zwischen 20 und 25 Ampere.
womit änderte sich bei den beiden Arbeitsgängen die den Gasen zugeführte elektrische
energie zwischen 40 und 67,5 KWo Vorstehend ist als ionisierendes Additiv hauptsächlich
Kaliumchloridsalz -genannt worden. Es können jedoch auch
andere
Materialien als solche Additive verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie niedrige
lonisationspotentiale haben und der Siedepunkt des Materials, wenn es eine Klüssigkeit
ist, bzw. die Partikelgrösse, wenn es ein Reststoff ist, derart ist, dass sie in
der zweiten Stufe der Vorrichtung vollständig verdampft werden können.
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Das Kaliumchlorid, das beim betrieb des in ig. 2 wiedergegebenen
Brenners verwendet wurde, hatte einen mittleren Flächenpartikeldurchmesser (surface-mean
particle diameter) von annähernd 8 tausendstel I4illimeter (8 micron).
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Wärmeübergangsrechnungen zeigen, dass eine praktische obere Grössengrenze
bei etwa 1/100 mm (10 micron) liegt, wenn vollständige Verdampfung, Dissoziation
und Ionisation des Kaliumchlorids in der ersten und der zweiten Stufe erhalten werden
sollen. Die untere Partikelgrösse ist durch Detrachtungen mechanischer Handhabungsprobleme
bestimmt, die sich aus der Agglomerisation ausserordentlich feiner Pulver ergeben.
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Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Xrfindung ist
ein wirksamer Weg geschaffen, um Gase auf Temperaturen zu bringen, die viel höher
als diejenigen sind, die durch das Verbrennen gewöhnlicher brennstoffe erhalten
werden können. Gleichzeitig sind Probleme, die sich aus der Verwendung starker Lichtbögen
ergeben, vermieden. as ist weiterhin möglich, durch Wärme unterstützte chemische
Reaktionen in den Gasen in der dritten Stufe auszuführen.
Die chemischen
Reaktionsteilnehmer können in irgendeiner stufe des Verfahrens gemäss der Erfindung
eingeführt werden, jedoch besteht eine zweckmässige Arbeitsweise darin, sie zu beginn
der dritten Stufe zuzufünren. ibür diesen Zweck ist in der Seite des hussenendes
der elektrode 42 eine sich radial erstreckende Öffnung 68 vorgesehen, wie es in
Yig, 7 wiedergegeben ist.
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Wenn die durch Wärme unterstützte chemische Reaktion derart ist,
dass sie durch die in der ersten und in der zweiten Stufe erzeugten Verbrennungsprodukte
nicht verschmutzt werden Kann, kann die in der ersten und in der zweiten Stufe zugeführte
Verbrennungsenergie allmählich verringert und elimieniert werden und die Zufuhr
elektrischer Energie in der zweiten Stufe kann erhöht werden. Auf diese Weise können
weiterhin nicht brennbare Gase erhitzt werden, in dem sie anstelle der ursprünglich
zugeführten brennbaren salse in der ersten und der zweiten Stufe zugeführt werden.
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Die dritte Stufe des Verfahrens und der-Vorrichtung gemäss der Erfindung
braucht nicht auf die Verwendung eines Elektrodenjpaares begrenzt zu werden. Abwechselnde
Reihen von elektrisch angeschlossenen Kathoden und Anoden können stromab des ersten
zlektrodenpaares angeordnet werden, und die salse können durch aufeinanderfolgende
Elektrodenpaare hindurchgehen, wobei ihnen zusätzliche elektrische energie zugeführt
werden kann. Auf diese Weise können verhältnismässig lange Verweilzeiten chemischer
Reaktionsteilnehmer in Hochtemperaturen aufrechterhalten werden.
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In Fig. 8 ist ein Brenner gemäß einer gegenüber der. Ausführung gemäß
Fig. 2 abgewandelten Ausführung wiedergegeben, der zum Durchführen verschiedener
chemischer Reaktionen, beispielsweise Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen mit den geeigneten
oder entsprechenden Elementengasen nützlich ist, um Acetylen, Vinylchlorid, Fluorkohlenstoffe
oder andere Halokohlenstoffe usw. zu erzeugen. Insbesondere werden die Darstellungen
der Fig. 8 bis 12 zur Beschreibung der Pyrolyse von Methan zum Bilden von Acetylen
beschrieben, obwohl zu verstehen ist, daß diese Beschreibung nur beispielsweise
erfolgt und die nachstehend beschriebenen Vorrichtungen und Arbeitsweisen bequem
für andere chemische Reaktionen verwendet werden können.
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Es ist bekannt, daß Naturgas, d. h. Methan, relativ zu Acetylen lediglich
bei Temperaturen oberhalb 15000 K unstabil wird, so daß wirksame Umwandlung von
Methan zu Acetylen Temperaturen von wenigstens 15000 K oder höher erfordert. Kohlenwasserstoffe
mit höherem Molekulargewicht sind weniger stabil als Methan und können bei niedrigeren
Temperaturen zu Acetylen umgewandelt werden. Aus bekannten Daten, welche die freien
Bildungsenergien verschiedener Kohlenwasserstoffe zeigen, kann gefunden werden,
daß Methan relativ zu den Elementen Wasserstoff und Kohlenstoff bei Temperaturen
oberhalb 8000 K unstabil wird. Wenn somit Methan zu Acetylen umgewandelt werden
soll, und nicht zu
Wasserstoff und Kohlenstoff, muß die Zeit, während
welcher es Temperaturen zwischen 8000 K und 15000 K ausgesetzt wird, minimal gehalten
werden. Höhere Kohlenwasserstoffe können zu den Elementen bei Temperaturen gekrackt
werden, die sogar niedriger als 8ovo0 K sind.
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Acetylen bleibt relativ zu den Elementen bis etwa 42000 K instabil.
Der einzige Grund dafür, daß Synthese von Acetylen durch Kracken gesättigter Kohlenwasserstoffe
praktisch ist, besteht darin, daß die thermische Zersetzung gesättigter Kohlenwasserstoffe
zu den Elementen über Acetylen als eine Zwischenverbindung fortschreitet und daß
der Schritt der Bildung von Acetylen schneller erfolgt als der Schritt zur Zersetzung
von Acetylen. Beide Schritte treten bei Kracktemperaturen sehr schnell auf und schnelles
Abschrecken (innerhalb von Millisekunden) der Zwischenprodukte auf eine Temperatur
von niedriger als etwa 8000 K ist wesentlich, wenn Acetylen als ein Endprodukt wiedergewonnen
werden soll. Bei einer Temperatur von über etwa 20000 K wird die Reaktion der Zersetzung
von Acetylen so schnell, daß wirksames Abkühlen oder Abschrecken unpraktisch schwierig
wird. Somit ist ein optimaler Temperaturbereich für Acetylensynthese zwischen etwa
15000 K und 20000 K für die Zuführung von Methan oder etwas niedriger für die Zufuhr
höherer Kohlenwasserstoffe vorhanden. Es ist weiterhin ersichtlich, daß die genaue
Steuerung der Reaktionskinetik für wirksame Acetylensynthçse
erforderlich
ist.
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Verschiedene wirtschaftliche Acetylenverfahren basieren entweder
auf Teilverbrennung eines Teils des zugeführten Kohlenwasserstoffs oder Pyrolyse
von gesättigten Kohlenwasserstoffen mittels elektrischem Lichtbogen.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird nachstehend die Verwendung
einer verteilten elektrischen Entladung in Verbindung mit Verbrennung für die Synthese
von Acetylen beschrieben.
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Drei besondere Brenner oder Reaktoren werden beschrieben. In Fig.
8 ist eine Ausführungsform der Erfindung wiedergegeben, die dem Brenner gemäß Fig.
2 sehr ähnlich ist, und bei welchem Methan oder Naturgas in die zweite Stufe des
Brenners eingespritzt oder eingeführt wird. Fig. 9 zeigt eine andere abgewandelte
Aus führungs form dieses Merkmals der Erfindung, bei welcher das Naturgas für die
Pyrolyse in eine vierte Stufe unmittelbar hinter den ersten drei Stufen des Brenners
gemäß den Fig. 2 und 8 eingeführt wird. In den Fig. 10 bis 12 wird die bevorzugte
AusfUhrungsform der Erfindung wiedergegeben, bei welcher das Naturgas für Pyrolyse
zu Acetylen in die dritte Stufe des Reaktors derart eingeführt wird, daß Mischen
des Pyrolysebrennstoffes und elektrische Erwärmungan dem gleichen Teil des Reaktors
auftreten, so daß eine nahezu isothermische Reaktionszone erzeugt wird.
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Aus Fig. 8 ist bequem ersichtlich, daß der dargestellte
Reaktor
dem Brenner gemäß Fig. 2 sehr ähnlich ist, wobei die Unterschiede hauptsächlich
in der Art der Ausführung gewisser Bauteile und nicht in der Arbeitsweise bestehen.
Daher sind für Zweckmäßigkeit der Beschreibung des Reaktors gemäß Fig. 8 für Teile,
die bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 8 ähnlich sind, gleiche Bezugszeichen
verwendet. Bei der Ausführung gemäß Fig. 8 wird der Hauptverbrennungsbrennstoff
mit dem Uberschuß für Pyrolyse zu Acetylen in die Öffnung 57 eingeführt. Der Brennstoff
gelangt durch die geschlitzte HU1-se oder den Ring 39 und durch Öffnungen 38 in
das Rohr 17 und strömt an der Brennerspitze 21 vorbei, wo er gezündet wird. Die
erste Stufe des Reaktors gemäß Fig. 8 ist daher der ersten Stufe des Brenners gemäß
Fig. 2 identisch. Weiterhin ist aus Zweckmäßigkeitsgründen die Radiofrequenzspannungsquelle
24 gemäß Fig. 2 zum Zünden der Hilfsflamme in Fig. 8 nicht dargestellt.
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Die zweite Stufe des Reaktors umfaßt ein hitzebeständiges"Vycor"-Rohr
70 ähnlich dem Rohr 40 gemäß Fig. 2, wobei das stromaufwärtige Ende in die Ausnehmung
16 des Hauptkörpers 10 paßt. Eine Elektrodenanordnung 72 ist am stromabseitigen
Ende des Rohres 70 angeordnet, wobei ein Ende des Rohres 70 in eine Bohrung 74 der
Elektrodenanordnung 72 eingepaßt ist. Die Elektrodenanordnung 72 umfaßt einen Satz
von Entladungselektroden 72a und einen zweiten Satz von Entladungselektroden 72b.
Es ist zu verstehen,
daß jeder Satz von Elektroden 72a und 72b
drei Elektroden im Abstand von 1200 umfaßt, obwohl eine solche Anordnung der Elektroden
nicht kritisch ist und lediglich beispielsweise angegeben ist. Die Elektrodenanordnung
72 ist zwischen einem ersten Metallflansch 76 und einem zweiten Metallflansch 78
angeordnet und mit diesen durch eine Anzahl von Niederhaltebolzen 80 in Berührung
gehalten. Der Abstand des Flansches 76 ist durch drei Phenolhazzapfen82 gesteuert,
die um 1200 voneinander getrennt sind und von denen aus Zweckmäßigkeitsgründen lediglich
einer in Fig. 8 wiedergegeben ist. Ein Messingabstandsstück 84, eine Mutter 86 und
eine Feder 88 an einem Ende des Zapfens 82 halten den Flansch 76 sicher in seiner
Stellung. Das verbleibende Ende des Zapfens 82 hat ein Gewindeende 90, welches in
eine Mutter 92 eingeschraubt ist, die mit einem Flansch 94 verbunden ist. Der Flansch
94 ist an dem Hauptkörper 10 mittels einer Reihe von Niederhaltebolzen 96 befestigt.
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Die Elektrodenanordnung 72 ist ein hohler Körper, so daß sie leicht
gekühlt werden kann. Die Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, kann einem von
zwei Radialdurchgaqgen 100 zugeführt werden, so daß es in den hohlen Teil 102 der
Elektrodenanordnung 72 fließt und aus dem anderen Radialdurchgang 100 ausfließt.
Es ist zu bemerken>, daß die Elektrodenanordnung 72 einen verengten inneren Teil
104 aufweist, der eine oeffnung 106 bildet. Die Öffnung 106 hat einen Durchmesser,
der kleine r als die, Innendurchmesser
der hohlen Elektrodenanordnung
72 und des Rohres 70 ist.
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Die dritte Stufe oder dritte Zone des Reaktors gemäß Fig. 8 umfaßt
ein zweites wärmebeständiges Vycor-Glasrohr 108, welches sich von der Elektrodenanordnung
72 konzentrisch mit der Öffnung 106 erstreckt. Das stromaufwärtige Ende des Rohres
108 erstreckt sich von einer ringförmigen inneren Ausnehmung 110 in ein Ende der
Elektrodenanordnung 72. Das stromabwärtige Ende des Rohres 108 paßt in eine ringförmige
Ausnehmung 112 einer anderen Elektrodenanordnung 114. Die Elektrodenanordnung 114
ist in Form eines hohlen Ringes vorhanden, dessen innerer Durchmesser eine Öffnung
116 bildet, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 108 ist.
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Um eine Kühlung für das Glasrohr 108 zu schaffen, ist ein anderes
Vycor-Rohr 118 vorgesehen, dessen Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des
Rohres 108 ist und das sich konzentrisch zu dem Rohr i08 von einer äußeren ringförmigen
Ausnehmung 120 der Elektrodenanordnung 72 zu einer inneren Bohrung 122 in der Elektrodenanordnung
114 erstreckt. Das Rohr 108 wird mittels Kühlluft gekühlt, die einem der radialen
Durchgänge 124 zugeführt wird, durch den Raum 126 zwischen den Rohren 108 und 118
hindurchströmt und aus dem anderen radialen Durchgang 124 ausströmt. Die ElektrodenanordnUng
114 wird ebenfalls mittels Kühlwasser gekühlt, welches einem der radialen Durchgänge
128 zugeführt wird, so daß das Wasser durch das Innere
der Elektrodenanordnung
114 umlaufen kann und aus ihr durch den anderen radialen Durchgang 128 hindurch
austreten kann.
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Die obere Elektrodenanordnung 114 ist im Abstand von der Elektrodenanordnung
72 gehalten, und zwar mittels eines Flansches 150, der in eine Schulter 152 der
Elektrodenanordnung 114 paßt. Ein Phenolzapfen 134 hat ein Gewindeende, welches
in eine Mutter 156 geschraubt ist, die mit dem Flansch 76 verbunden ist, sowie ein
zweites Gewindeende mit einer Feder 138 und einer Einsfflttellmutter 140, die zweckentsprechend
mit dem Zapfen 134 im Eingriff stehen, um die Elektrodenanordnung 114 sicher in
ihrer Stellung zu halten. Es ist zu verstehen, daß ähnlich dem Zapfen 82 drei Zapfen
134 im Abstand von 1200 rund um die Flansche 130 und 76 angeordnet sind, wobei lediglich
einer der Zapfen 134 in Fig. 8 wiedergegeben ist.
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Um die elektrische Energie, die zum Betätigen des Reaktors gemäß
Fig. 8 erforderlich ist, zuzuführen, ist eine erste Hochspannungswechselstromquelle
142 an die Elektrodenanordnung 72 und das Rohr 50 mittels eines Leiters 144, der
ein mit einem Ende der elektrischen Energiequelle 142 und ein mit einem AnschluB
146 verbundenes anderes Ende aufweist, und mittels eines Leiters 148 geschaltet,
der zwischen das andere Ende der elektrischen Energiequelle 142 und dem Hauptmessingkörper
10 geschaltet ist, der elektrisch geerdet ist. In ähnlicher Weise ist
eine
zweite Hochspannungswechselstromquelle 150 an die Elektrodenanordnungen 72 und 114
durch den Leiter 144 und einen anderen Leiter 152 geschaltet, der mit dem Anschluß
154 an dem elektrisch geerdeten Flansch 130 verbunden ist.
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Um die Menge von dem Reaktor gemäß Fig. 8 gebildeten Acetylens festzustellen,
ist eine Gasprüfsonde 156 in der Nähe der Austrittsflamme an dem Ende der Elektrodenanordnung
114 angeordnet, Solche Prüfsonden sind in der Technik bekannt und wirken durch Aufrechterhalten
der Gaszusammensetzung durch schnelles Kühlen. Der Ausgang der Prüfsonde 156 ist
an einen Restgasanalysator angeschlossen, damit gewisse quantitative Ergebnisse
erhalten werden können.
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Beim Betrieb des Reaktors gemäß Fig. 8 während der Pyrolyse von Methan
zur Bildung von Acetylen werden die gleichen Anlaur- und Betriebsarbeitsweisen angewendet,
wie sie zuvor in Ye » ~tndung mit dem Brenner gemäß Fig. 2 beschrieben worden sind.
Kurz gesagt, werden ein Brennstoff, beispielsweise Methan, und ein lonisierungsadditiv
durch das Hilfsrohr 23 in den Schaft 21 der HilSsbrennerspitze 20 geführt. Oxydierendes
Material wird durch das Rohr 17 zugeführt und das brennbare Gemisch wird durch von
einer Radiofrequenzspannungsquelle gelieferte Funken gezündet, die der Spannungsquelle
24 gemäß Fig. 2 ähnlich ist.
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Der Haupt-Methanverbrennungsbrennstoff strömt durch die Öffnung 57
und in das Rohr 50, wo er von der Hilfsflamme
gezündet wird. Wie
oben beschrieben, sind das Ionisierungsadditiv und die elektrischen Energiequellen
142 und 150 kontinuierlich eingestellt, bis der gewUnschte Betrieb mit gleichmäßig
verteilter Entladung in der dritten Zone zwischen der Elektrodenanordnung 72 und
der stromabwärtigen Elektrodenanordnung 114 erhalten ist.
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Nachdem normaler Betrieb des Reaktors gemä# vorstehender Beschreibung
erhalten ist, kann der Reaktor in Reichbrennstoffbetrieb (fuel rich mode) eingestellt
werden für wirksamere Erzeugung von Acetylen aus dem Methan gemäß nachstehender
Arbeitsweise. Der Strom von Luft, die mit Methan gemischt und in die Öffnung 57
eingeführt wird, wird in annähernd 10-Inkrementen oder Schritten verringert, wonach
kontinuierliche Einstellung der Zunahmen des Hilfssauerstoffs durch das Rohr 17
hindurch in etwa 20%-Inkrementen oder Schritten erfolgt, und zwar entweder durch
Konstanthalten der Methanzufuhr durch die Öffnung 57 oder durch ihr Erhöhen in 10X-Inkrementen
oder Schritten. Im endgUltigen Betriebszustand wird es bevorzugt, mit 100 % Methan
und Sauerstoff ohne Luftzufuhr zu arbeiten. Es ist zu verstehen, daß durch diese
Vorgänge die Verbrennungsenergie verringert wird, so daß Einstellungen der Spannungen,
die zwischen den Elektroden 50a, 72a und zwischen den Elektroden 72b und 114 zugeführt
werden, vorgenommen werden mUssen, um die elektrische Energie konstant zu halten.
In den meisten Fällen kann dies bequem
durch geringes Erhöhen der
von der Energiequelle 142 zugeführten Spannung und nachfolgendes Erhöhen der von
der Quelle 150 zugeführten Spannung erfolgen. Die besonderen Ergebnisse bei der
Erzeugung von Acetylen werden nach Beschreibung der abgewandelten Ausführungsformen
gemäß den Fig. 9 bis 12 im einzelnen angegeben, so daß ein direkter Vergleich vorgenommen
werden kann.
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In Fig. 9 ist eine abgewandelte Aüsführungsform eines Reaktors für
Gasphasenreaktionen dargestellt, bei welcher die Abwandlungen gegenüber dem Reaktor
gemäß Fig. 8 im wesentlichen zwei konstruktive Anderungen aufweisen: 1. die Hinzufügung
einer vierten Stufe 160, und 2. die Hinzufügung einer Gaseinspritzverteilerleitung
162 am stromaufwärtigen Ende der vierten Stufe oder Zone, wodurch eine Sekundäreinspritzung
des Brennstoffs für Pyrolyse geschaffen ist.
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Die vierte Stufe oder vierte Zone ist im wesentlichen eine Verlängerung
der dritten Stufe mit dem gleichen Innendurchmesser und einer Ausführung aus einem
Vycor-Glasrohr 164. Zwei Messinghalteflansche 166, von denen einer am stromaufwärtsseitigen
Ende des Rohres 164 und der zweite am stromabwärtsseitigen Ende des Rohres 164 angeordnet
ist, halten die vierte Stufe in ihrer Stellung mittels dreier Metallstehbolzen 168,
von denen nur einer für Erläuterungszwecke in Fig. 9 wiedergegebenbst, Jeder Stehbolzen
168 steht mit dem Flansch 150 an dem stromabwärtsseitigen Ende der Elektrodenanordnung
114 in Gewindeeingriff,
um die vierte Stufe 160 sicher in ihrer
Stellung zu halten. Angemessene Schutzkühlung des Rohres 164 der vierten Stufe ist
dadurch geschaffen, daß eine Anzahl kleiner Druckluft strahlen an dem Rohr 164 von
einem umgebenden Verteilerring 170 aus 3/8 Zoll Kupferrohr mit einer Reihe von kleinen
Löchern gerichtet werden, die entlang der Innenfläche des Ringes 170 gebohrt sind.
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Die Einspritzverteilerleitung 162 für das Methan in der vierten Stufe
ist ein zylindrischer Verteilerring, der mit einer zweireihigen Anordnung von 16
kritischen Strömungsöffnungen 172 bzw. Öffnungen für kritische Strömung versehen
ist, wobei jede der Offnungen 172 nahezu radial ausgerichtet ist. Das Öffnungsmuster
ist durch den Wunsch diktiert, maximale Mischung bzw. Mischungsgeschwindigkeit des
eingeführten Gases mit den aus dem Rohr 108 austretenden Brennergasen zu schaffen.
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Der Methanüberschuß für Pyrolyse zu Acetylen wird durch eine radiale
Eintrittsöffnung 174 zugeführt, die mit den Öffnungen 172 in Verbindung steht, so
daß der Methanüberschuß mit den Brennergasen gemischt wird, die aus der Elektrodenanordnung
114 der dritten Stufe austreten.
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Im Betrieb unterscheidet sich der Reaktor gemäß Fig. 9 von dem Reaktor
gemäß Fig. 8 darin, daß die durch die ersten drei Brennerstufen strömenden Gase
weniger reich an Brennstoff sind. Bei dem Reaktorçgem§ß Fig. 9 werden die Gase der
dritten Stufe auf einen Wert, der
sich 30000 K nähert, überhitzt,
so daß ihre nachfolgende Verdünnung und Reaktion mit dem Hauptnaturgas zu einem
Gemiseh innerhalb des optimalen Temperaturbereichs von 1500 bis 20000 K für Acetylensynthese
führt. Dies bedeutet, daß wenigstens ein Teil des Naturgases in der dritten Stufe
kurzzeitig Temperaturen ausgesetzt ist, die schnelle Zersetzung von Acetylen zu
Wasserstoff und Kohlenstoff begünstigen. Die Ernsthaftigkeit solcher unerwünschter
Zersetzungsreaktionen hängt selbstverständlich von der Schnelligkeit ab, mit welcher
das Mischen in der vierten Stufe 160 erfolgt.
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Mit den Reaktorausführungen gemäß den Fig. 8 und 9 wurden versprechende
Ergebnisse bei der Bildung von Acetylen erzielt, selbst unter nicht optimal gehaltenen
Bedingungen, jedoch ist die bevorzugte Reaktorausführung für Acetylensynthese in
den Fig. 10 bis 12 wiedergegeben.
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Diese bevorzugte Gestaltung für den Reaktor ergab sich aus nachfolgenden
Gesichtspunkten. Die Verbrennungsgase, welche die zweite Stufe des Brenners verlassen,
d. h. am Austritt der Elektrodenanordnung 72, brauchen lediglich heiß genug zu sein,
um gutes Vorkonditionieren für die Abgabe der dritten Stufe zu schaffen. In anderen
Worten ausgedrückt, braucht die Temperatur der Verbrennungsgase lediglich geringfügig
oberhalb der optimalen Temperatur von 15000 K zu liegen, bei weicher Methan zu Acetylen
gekrackt wird. Da elektrische Energie über der Länge der
dritten
Stufe hinzugefügt wird, und zwar zwischen der Elektrodenanordnung 72 und der Elektrodenanordnung
114,, kann dieses Mischen des Haupt-Naturgases ebenfalls auf der ganzen Länge der
dritten Stufe erfolgen. Die elektrische Erhitzung der Gase kann grob durch Kühlen
gegenüber Verdünnung und Reaktion des eingeführten Methans ganz ausbalanciert werden.
Somit tritt Kracken des eingeführten Methans in einer nahezu isothermischen, eine
optimale Temperatur aufweisenden Mischzone auf, welche einen geringfügig heißeren
mittleren Kern umgibt, in welchem die elektrische Entladung aufrechterhalten ist.
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Die obigen Ergebnisse können in der Praxis auf verschiedene Weise
annähernd erreicht werden. Eine Arbeitsweise besteht darin, eine Reihe von Umfangsgaseinfüröffnungen,
verteilt englang der Länge der dritten Stufe, vorzusehen. Eine etwas einfachere
Annäherung ist in den Fig.
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10 bis 12 wiedergegeben, bei welcher die ursprüngliche Elektrodenanordnung
72 am stromauPwärtsseitigen Ende der dritten Stufe durch eine abgewandelte Elektroden-
und Manteleinspritzverteilerleitung- 180 ersetzt ist, die einen inneren Durchmesser
hat, der eine Öffnung 18u1 begrenzt und die eine Sekundäreinführung des Brennstoffs
für Pyrolyse schafft. Die Elektroden-Verteilerleitung 18, -der dritten Stufe schafft
eine ringförmige GaseinfuhröfNnußg, wobei die ringförmige Öffnung 182 in der axialen
Richtung des Brenners ausgerichtet ist. Die Breit der ringförmigen
Öffnung
182 ist besonders gestaltet, um eine angenäherte Anpassung zwischen der Geschwindigkeit
des eingeführten Gases und der Geschwindigkeit des aus dem Rohr 70 austretenden
Verbrennungsgases zu schaffen. Auf diese Weise kann relative Scherung zwischen den
Strömen minimal gehalten werden und das Mischen kann über einen großen Anteil der
Länge der dritten Stufe verteilt werden.
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Die Ausführungseinzelheiten der Elektroden-Verteilerleitung 180 der
dritten Stufe sind in den Fig. 11 und 12 klarer dargestellt. Wie in den Figuren
dargestellt, wird der Methanüberschuß für Pyrolyse zu Acetylen in die Verteilerleitung
180 geführt, und zwar mittels einer Einlaßhoffnung 184. Das eingeführte Methan strömt
durch den Einlaß 184 hindurch in einen hohlen inneren Teil 186 der Verteilerleitung
180 und dann durch die ringförmige Öffnung 182 aus. Kühlung der Elektroden-Verteilerleitung
180 der dritten Stufe ist geschaffen durch KÜhlwasser, das in das hohle Innere der
Verteilerleitung 180 durch radiale Einlaß- und Auslaßöffnungen 188 geführt ist.
Drei Elektroden 190 sind in der Elektroden-Verteilerleitung 180 vorgesehen, die
um 1200 voneinander getrennt und um 150 versetzt sind. ähnlich der Ausführung, wie
siqzuvor in Verbindung mit Fig. 8 beschrieben worden ist, ist das stromabwärtsseitige
Ende des Rohres 70 in eine Bohrung 192 in dem stromaufwärtsseitigen Ende der Verteilerleitung
180 eingesetzt. Der Reaktor gemäß den Fig. 10 bis 12 schafft auch
zwei
wesentliche Vorteile gegenüber dem Reaktor gemäß den Fig. 8 und 9. Zufolge des Vorhandenseins
eines kühlen Mantels eingeführten Gases, der aus der Öffnung 182 austritt, die dem
größten Teil der Oberfläche der dritten Stufe entlang und innerhalb des Rohres 108
benachbart ist, kann erwartet werden, daß das Problem des Wärmeschocks in Verbindung
mit dem Rohr 108 in großem Ausmaß beseitigt ist, und es kann erwartet werden, daß
Wärmeverluste an den Wänden des Rohres 108 beträchtlich verringert sind. Obgleich
keine quantitativen Messungen von Wärmeverlusten beim Betrieb des Reaktors gemäß
Fig. 10 erhalten wurden, ist gefunden worden, daß viel weniger Kühlluft für die
dritte Stufe und insbesondere für das Rohr 108 erforderlich ist.
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Es ist zu bemerken, daß ähnliche Mantelströmung auch für den Brenner
bei gewöhnlicher elektrisch verstärkter Verbrennung angewendet werden kann. Es brauchen
lediglich genügend Brennstoff und Luft in die zweite Stufe eingeführt zu werden,
um gutes Vorkonditionieren in der dritten Stufe zu schaffen. Der Rest des Brennstoffs
und der Luft kann in Form eines angepaßten Geschwindigkeitsmantels in die dritte
Stufe eingeführt werden.
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Beim Betrieb des Reaktors mit radialer Gaseinführung in der vierten
Stufe gemäß Fig. 9 und mit Mantelströmung bei Einführung in der dritten Stufe gemäß
Fig. 10 für die Synthese von Acetylen aus Methan können die gleichen Anlaufverfahren
und
Zündverfahren angewendet werden, wie sie zuvor beschrieben worden sind. Bei der
brennstoffreichen Arbeitsweise wird eine kleine Menge Methan durch Sekundäreinspritzung
oder Sekundäreinführung in die Einlaßöffnung 174 des Reaktors gemäß Fig. 9 oder
in die Einlaßöffnung 184 des Reaktors gemäß Fig. 10 eingeführt, um ein gewisses
Mischen und Kühlen zu erhalten. Diese Sekundärbeinführung des Methanüberschusses
für Pyrolyse wird fortgesetzt zusammen mit kontinuierlicher Verringerung der Luftströmung
in die Öffnung 37 und einer Erhöhung der Spannungen an den Elektroden der zweiten
und dritten Stufe und des Hilfssauerstoffeintritts in das Rohr 17, um die elektrische
Energie konstant zu halten. Es ist zu verstehen, daß solche Einstellungen in einer
schrittweisen Arbeitsweise vorgenommen werden, bei welcher anfänglich eine kleine
Menge Methanüberschuß durch SekundSreinfUhrung vorgesehen wird, wonach eine geringe
Verringerung der Luftzufuhr erfolgt, möglicherweise eine geringe Erhöhung der Spannungen
an den Elektroden in der zweiten und der dritten Stufe, sowie eine geringe Erhöhung
der HilSssauerstoffzufuhr. Diese Arbetsweise wird wiederum wiederholt, wobei mit
einer kleinen Menge von Sekundärbrennstoffeinführung für Pyrolyse, Verringerung
der Luftzufuhr usw. begonnen wird. Die oben beschriebene Folge hat den Hauptzweck,
einen glatten Übergang von anfänglicher zu endgültiger Ventileinstellung und Energieeinstellung
ohne Abweichen
von dem gewünschten Flammenstabilitätsbereich oder
ohne Uberschreiten der strukturellen Begrenzungen bzw.
-
Aufbaubegrenzungen der Vorrichtung zu erzielen.
-
In einer Reihe von Versuchen bei Verwendung der Reaktoren gemäß den
Fig. 8, 9 und 10 wurde die erzeugte Acetylenmenge mittels einer Prüfsonde 156 erhalten,
wie sie in Fig. 8 wiedergegeben ist. Beste Ergebnisse wurden mit der Ausführung
mit Mantelströmung gemäß Fig. 10 erhalten, die als bevorzugte Ausführung anzusehen
ist, obwohl bei den Versuchen die Ausführung nicht hinsichtlich bester Leistung
ausgelegt wurde. Zusätzliche Leistung sollte durch Verfeinerung der ManteleinfUhrgeometrie
möglich sein. Anwendung von Gleichstromenergie oder Mehrphasenwechselstromenergie
sollte zu besserer Steuerung der Reaktionskinetik führen. Für Erläuterungszwecke
und um Beispiele der Erfindung zu schaffen, sind drei Versuche für jeden der Reaktoren
gemäß den Fig. 8, 9 und 10 im einzelnen durchgeführt worden und die Ergebnisse sind
in der nachstehenden Tabelle enthalten. Bei den Versuchen 31, 40 und 49 gemäß der
Tabelle wurde elektrische Energie zwischen den Elektroden 50a und 72a zugeführt,
während bei den Versuchen 145, 146, 149 und 240a bis 240c elektrische Energie zusätzlich
zwischen den Elektroden 72b und 114 zugeführt wurde.
Versuche für
Acetylensynthese mit Naturgas, das an angegebenen Stellen eines dreistufigen Brenners
eingeführt ist
| inführung von adiale Sekundär- Sekundäre Man- |
| aturgas für einführung von teleinführung von |
| yrolyse in aturgas für Py- Naturgas für Py- |
| er 2. Stufe olyse in der 4. rolyse in der 3. |
| (Fig. 8) Stufe (Fig. 9) Stufe (Fig. 10-12) |
| Versuch Nr. 31 40 49 145 146 149 240a 240b 240c |
| Volt |
| zweite 1700 2100 (a) (a) (a) 1800 1400 1400 1400 |
| (V) |
| Stufe Energie |
| 17 15 12 10 11 15 13 13 13 |
| (kW) |
| Volt NA NA NA 2000 2000 2000 4200 4200 420 |
| dritte Amp. NA NA NA 44 44 69 (a) (a) (a) |
| Energie- |
| Stufe NA NA NA 0,45 0,45 0,40 0,7 0,7 0,7 |
| faktor |
| Energie (kN) NA NA NA 40 40 55 66 66 66 |
| Naturgasmassenge- |
| schwindigkeit (1) 0,48 0,639 0,615 1,09 1,09 0,727 0,907 0,907
0,907 |
| Ionisierun s- |
| additiv (2) (b) (b) (b) 0,024 0,024 0,011 0,087 0,087 0,087 |
| Anordnung Axial 43,2 43,2 43,2 14,0 14,0 6,35 48,3 48,3 48,3 |
| der Prüf- |
| sonde (3) Radial 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,27 1,27 1,27 |
| Abgeschreck- |
| ter Ausfluß Vol.% 4,12 3,99 3,87 5,15 5,22 5,90 10,27 12,23
11,9( |
| C2H2 |
| Konz. (4) Gew.% 6,61 6,84 5,72 11,52 11,04 15,92 20,22 22,80
22,30 |
| Verhältnis- elektr. |
| se von Zu- Energie 14,1 9,0 8,8 15,0 15,6 20,0 15,4 13,6 14,1 |
| fuhr und (5) |
| Produkt |
| O2 (6) 6,8 6,7 8,2 2,0 2,1 1,9 1,3 1,2 1,2 |
| Naturgas |
| (7) 8,1 7,9 9,3 6,7 7,0 4,3 3,6 3,2 3,3 |
| Nennkostenverhältnis |
| (8) 75 63,5 71,4 60 63,5 61,6 47,6 42,3 44 |
In der Tabelle bedeuten: NA Nicht anwendbar (a) Daten nicht verfügbar
(b) Daten genommen auf der Basis der Zuführvorrichtung, so daß sie zur Konzentration
nicht in Beziehung gesetzt werden können (1) Kilogramm Je Stunde und Quadratzentimeter
bei Naturgas von der mittleren Zusammensetzung C1,12H4,21 und einem mittleren M.W.
17,63, basierend auf einem Brennerquerschnitt von etwa 20 cm2 (2) Zufuhrgeschwindigkit
des Additivs in Gramm Je Minute.
-
()) Axialer Abstand in Zentimetern stromab der Stelle der Einführung
des Haupt-Naturgases; radialer Abstand in Zentimetern von der Brennerachse (4) Normalisiert
auf einer Basis frei von Argon, Helium und Stickstoff, bei Vernachlässigung von
Rußbildung (5) Kilowattstunden je Kilogramm C2H2-Produkt (6) Kilogramm des zugeführten
02 Je Kilogramm C2H2-Produkt (7) Kilogramm Naturgas je Kilogramm C2H2-Produkt (8)
Pfennige je Kilogramm C2H2, basierend auf elektrischer Energie eines Preises von
2 Pf. je Kilowattstunde, Sauerstoff eines Preises von 2,2 Pf. Je kg und Naturgas
eines Preises von 1>8 Pf. Je kg.