DE1911606A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchfuehrung endothermer Gasreaktionen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung endothermer Gasreaktionen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung endothermer Gasreak-tionen in Flammen ohne Verwendung von Katalysatoren.
• Bei endothermen Gasreaktionen muß die erforderliche Reaktionsenthalpie aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten i.a. bei relativ hohen Reaktionstemperaturen zur Verfügung gestellt werden. Diese Bedingungen lassen sich u.a.
• in Flammen realisieren, in denen bei hoher Temperatur sehr viel Energie auf kleinem Raum frei gesetzt werden kann.
• Bei der Durchfurung endothermer Gasreaktionen in Flammen wird eine exotherme Verbrennungsreaktion mit einer endothermen Synthesereaktion gekoppelt. Beide Teilreaktionen laufen bei Einstufenprozessen nach Art einer unvollständigen Verbrennung gleichzeitig nebeneinander ab (DBP 1 174 762, DBP 1 159 409), wårend bei Zweistufenprozessen die Einsatzprodukte der endothermen Synthesereaktion mit den heißen Verbrennungsgasen einer oder mehrerer energieliefernder Flammen vermischt und zur Reaktion gebracht werden (DBP 1 040 533 und DAS 1 2)7 095). Die gebildeten Produkte sind bei den erforderlichen Synthesetemperaturen i.a. nicht beständig (z.B. C2H2, C2H4, HCN) und müssen nach sehr kurzen Reaktionszeiten durch starke Abkühlung in einen thermodynamisch metastabilen Zustand Uberführt werden. Die erforderliche Abschreckung der heißen Reaktionsgase erfolgt durch direktes Einspritzen eines Kühlmediums (DAS 1 057 o94 und DAS 1 040 533), durch Wärmeaustauscher (DBP 1 159 409) oder durch Expansionskdhlung (Brit.Pat.Nr. 852 072).
• Alle hierfür bekannten Flammenreaktionen werden unter turbulenten Strömungsbedingungen durchgeführt, wobei die Verbrennungs- bzw. Synthesereaktionen in einem Reaktionsraum ablaufen, in dem sich eine Vielzahl von diskret abreagierenden Turbulenzballen befindet. Der Reaktionsraum ist daher bezüglich Konzentration und Temperatur recht inhomogen. Es ist bekannt, daß in Flammen die zur Bildung endothermer Verbindungen notwendigen elementaren Reaktionsschritte in räumlich eng begrenzten Reaktionszonen ablaufen. Diese Reaktionszonen befinden sich bei vielen derartigen Synthesen in oder nahe den eigentlichen Verbrennungszonen der abreagierenden ikirbulenzballen. Aus verfahrenstechnischen Gründen können bei allen bekannten Verfahren die wichtigen elementaren Reaktionsschritte an diesen Stellen nur schlecht beeinflußt werden, sei es durch gezieltes Eindüsen geeigneter Hilfs- bzw. Reaktionsgase oder durch Abschrecken der Reaktionsprodukte. Wegen dieser Schwierigkeiten erreichen die bekannten Verfahren nur niedrige Ausbeuten an gewünschten Produkten.
• Höhere Ausbeuten lassen sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß zur Durchführung endothermer Gasreaktionen die Einsatzprodukte oder ein Teil von ihnen in aus brennbaren C-asgemischen erzeugten, stationär brennenden Flammen zur Reaktion gebracht werden und ein Gasstrom (Sekundärgas) in die Flammenfronten eingemischt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wurden die endo therrnen Gasreaktionen in Strahlflammen durchgeführt, die in einer Umgebung von Gasen (Sekundärgas) brennen. Diese Gase können sowohl inerte Gase sein, die an der Umsetzung nicht teilnehmen, als auch Reaktionskomponenten, die an der Umsetzung beteiligt sind. Durch Strahlvermischung werden diese Schundärgase von den Strahlflammen angesaugt und in die Flammenfronten eingemischt.
• Hierdurch lassen sich die Konzentrations- und Temperaturprofile in den Reaktionszonen derart beeinflussen, daß die Synthese gewünschter Produkte in höheren Ausbeuten erfolgt.
• Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich somit von den bisher bekannten zweistufigen Verfahren zur Durchführung endothermer Gasreaktionen, bei denen Reaktionskomponenten durch Strahlvermischung den weitgehend abreagierten heißen Verbrennungsgasen von Flammen zugemischt werden, die ausschließlich der Bereitstellung der erforderlichen Reaktionsenthalpie sowie der Erzeugung der hohen Reaktionstemperaturen dienen. Die eigentlichen endothermen Gasreaktionen erfolgen bei diesen Verfahren in Bereichen, die praktisch @rei von molekularem Sauerstoff sindz.B. DAS 1 084 250, 1 112 064, 1 074 029> 1 114 182, 1 237 095, 1 244 764, i 214 215> DAS 1 283 827, DAS 1 283 826, DAS 1 418 939 und Brit.Pat.No. 709 035). Ferner unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den bisher bekannten einstufigen Verfahren zur Durchführung endothermer Gasreaktionen, bei denen in den Reaktionsraum Hilfssauerstoff allein zu dem Zwecke eingedüst wird, urn die Verbrennungsreaktion zu stabilisieren und gegebenenfalls die Form der Flammenfront zu ebnen (z.B.
• DAS 1 273 524, Chemie-Ing.-Technik 40 (1968) 20, 1004/1008). Ebenso unterscheidet sie sich von solchen Verfahren, bei denen Strahlflanen ausschließlich als Zündflammen dienen, durch die die Verbrennung eines reaktionsfihigen Gasgemisches aufrech-t erhalten wird (z.B. DAS 1 149 351).
• Beispiele von Vorrichtungen zur Durchführung andothermer Gasreaktiojien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen anhand der folgenden Abbildungen erläutert werden. Dabei stellen dar: Abb l eine ers-te Ausführungsform einer Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Längsschnitt (Abb.lb) und im Querschnitt (Abb.la), Abb.2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Längsschnitt (Abb.2b) und in Querschnitt (Abb.2a).
• In der Ausführungsform der Erfindung gemäß Abb.1 wird durch eine Anzahl hier rund gezeichneter Düsen 1 ein brennbares Gasgemisch 2 geleitet. Jede dieser Düsen 1 ist umgeben von einem hier als Ringspalt gezeichneten Strömmungskanal 3, durch den ein geeignetes Sekundärgas 4 geleitet wird, das entweder an der Flammenreaktion teilnimmt oder nicht. Das brennbare Gemisch 2 reagiert von den Innendüsen 1 aus in Form von Strahl flammen 5 ab. Durch geeignete Wahl des Impulsverhältnisses des aus einer Oeffnung 1 austretenden Strahles zu de@ aus einer Oeffnung 9 austretenden Gas läßt sich der Vermischungsvorgang steuern. Die genannte Anordnung ist umgeben von den Wandungen der Brennkammer 6, in der die heißen Reaktionsgase an geeigneter Stelle durch Abschreckvorriciitungen 7 gequencht werden.
• In der Ansführungsform der Erfindung gemäß Abb.2 wird ein brennbares Gåsgcmisch 2t durch die hier rund gezeichneten Düsen lt geleitet, die sich in der Bre@@kammerwandung 6 befinden. Ein Sekuridärgas 41, das entweder an der Umsetzung teilnimmt oder nicht, strömt in einen; hier zylindrisch gezeichneten Strömungskanal 3' aufwärts. Das brennbare Gemisch 2' reagiert von den Düsen 1' aus n quer angeströmten Strahlflammen 5t ab, wobei Sekundärgas 4' angesaugt wird. Durch geeignete Wahl des Impulsverhältnisses des aus einer Oeffnung lt austretenden Strahls zu der. des Sekundärgasstromes 4' läßt sich der Vermischungsvorgang steuern. An geeigneter Stelle werden die heißen Reaktionsgase durch eine geeignete Abschreckvorrichtung 7t gequencht.
• In den zuvor beschriebenen Vorrichtungen wurden als typische Verfahrensgänge die Synthese von ungesättigten C2-Kohlenwasserstoffen aus leichten Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff und die Synthese von Cyanwasserstoff aus leichten Kohlenwasserstoffen, Ammoniak und Sauerstoff mit zufriedenstellenden Ausbeuten durchgeführt. Dies wird in den nachfolgenden typischen Beispielen weiter erläutert.
• Beispiel 1 In der Vorrichtung gemäß Abb.1 wurde in der Brennkammer ein Gemisch 2 aus ca. 1,5 Nm³/h propan und ca. 2,7 Nm³/h Sauerstoff (C/O-Verhältnis 0,85) durch 19 Düsen 1 von 1 mm Innendurchmesser in den Reaktionsraum geleitet.
• Durch die als Ringspalte mit einem Außendurchmesser von 3,5 mm ausgebildeten Strömungskanäle 3 wurden als Sekundärgas 4 ca. 0,97 Nm³/h Ammoniak geleitet (C/N-Verhältnis 4,7). Das Verhältnis der Volumenströme von brennbare,7. Gemisch 2 zu sekundärgas 4 be@ug 4,3. Von den Düsen 1 aus branntan die Stranlflamgen 5 in einer Umgebung aus gleichsinnig strömendem Amtoniakgas. Bei diesem Versuch wurde eine Ausbeute an Cyanwasserstoff von 73%, bezogen auf eingesetztes Ammoniak, erzielt, wobei 836 des umgesetzten Ammoniaks in Cyanwasserstoff umgewandelt wurden (Selektivität der Umsetzung). Der gesamte Ucsatz an Ammoniak b:ctrW - twa Beispiel 2 In der Vorrichtung gemäß Abb.2 wurden in der Brennkammer ein brennbares Gemisch 2t aus ca. 1,6 Nm3/h Propan und ca. 2,8 Nm3/h Sauerstoff (C/O-Verhältnis o,85) durch 12 Düsen lt mit einem Innendurchmesser von 1,5 mm in den Reaktionsraum geleitet, wobei die quer angeströmten Strahiflammen 5' in einem Sekundärgasstrom 4 von ca. 5 Nm3/hl Wasserstoff brannten. Das Verhältnis der Volumenströme von brennbarem Gemisch 2t zu Sekundärgasstrom 4 betrug bei diesem Versuch 0,96. Bezogen auf den Kohlenstoff des eingesetzten Propans wurde eine Ausbeute an Azetylen von ca. 30 erzielt.
• Beispiel 3 In der Vorrichtung gemäß Abb.2 wurden in der Brennkammer Versuche zur Synthese von Cyanwasserstoff ausgeführt. Dazu wurden bei den Versuchen a bis g der Tabelle 1 brennbare Gemische 2' aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen (s.Spalte 2 mit Volumendurchsatz der Kohlenwasserstoffe), Ammoniak und Sauerstoff mit den in Spalte 5 und Spalte 6 aufgeführten Gemischzusammensetzungen eingesetzt. Die verwendeten Sekundärgase 4 und deren Volumendurchsatz sind in Spalte 3 und das Verhältnis der Volumenströme von brennbarem Gemisch 22 zu Sekundärgas 4t in Spalte 4 vermerkt. Die Ausbeuten und Selektivitäten an Cyanwasserstoff, bezogen auf Ammoniak, sowie die Umsätze an Ammoniak finden sich in den Spalten 7, 8 und 9.
• Entsprechend dem vorher Gesagten wurden bei den Versuchen h und 1 der Tabelle 1 brennbare Gemische 2' aus Propan und Sauerstoff eingedüst, die in einer Sekundärgasströmung 41 aus Ammoniak als quer angeströmte Strahiflammen 5t brannten. Für den Versuch i ist die Zusammensetzung der die Brenrikammer verlassenden Reaktionsgase in Spalte 1 der Tabelle 2 angegeben; die Zusammensetzung der Gase nach einer Wäsche mit kalter, verdünnter Schwefelsäure findet sich in Spalte 2 und die der Restgase nach der HCN-Absorption in Spalte 3.
• Bei allen als Beispiel aufgeführten Versuchen betrug die Synthesetemperatur ca. 1400°C, wobei der Flammenreaktor mit einer Frischgasbelastung von ca. 105 [Nm3/h,m3] betrieben wurde.
• Tabelle 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Versuch Kohlen- Sekundär- Verhältnis C/N C/O Ausbeute Selektiv. Umsatz wasserstoff Nm³/h gas Nm³/h d.Volumenströme % % % a Propan 1,55 H2 3,0 1,8 5,1 0,78 78 93 84 b Propan 1,55 H2 3,0 2,2 2,9 0,71 66 82 80 c Propan 1,5 CO 2,6 2,1 5,1 0,78 73 85 86 d Propan 1,5 Helium 2,6 2,1 5,1 0,77 58 68 85 e Methan 3,5 H2 3,0 2,5 5,5 0,52 70 91 77 f Aethan 2,0 H2 3,8 1,5 5,1 0,63 70 89 79 g Aethylen 1,9 H2 4,6 1,1 5,2 0,80 82 94 87 h Propan 1,6 Ammoniak 0,96 4,6 4,9 0,85 77 88 87 i Propan 1,25 Ammoniak 1,2 2,9 3,0 0,81 66 78 85 Tabelle 2 1 2 3 Vol.% Vol.% Vol.% HCN 8,3 10,1-1,8-N2 1,2 1,5 1,7.
• CO 22,0 26,8 32,0 CO2 4,7 5,7-CH4 1,1 1,3 1,6 C2H2 1,2 1,5 1,7 H2 43,5 53,1 63,0 H20 16,2-100,0 100,0 . 100,0

Claims (7)

1. -Patentansprüche 1. Verfahren zur Durchführung endothermer Gasreaktionen, bei dem die hinsatzprodukte oder ein Teil von ihnen in aus brennbaren Gasgemischen erzeugten Flammen zur Reaktion gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasstrom (Sekundärgas) in die Flammenfront eingemischt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sekundärgas ein inertes Gas verwendet wird, das nicht an der Umsetzung teilnimmt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sekundärgas eine oder mehrere gasförmige Reaktionskomponenten verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärgase im Gleichstrom mit dem brennbaren Gasgemisch geführt werden und das Gasgemisch in einer oder mehreren Strahlflammen abreagiert.
5. 5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis ), dadurch gekennzeichnet, daß das brennbare Gasgemisch quer in den Sekundärstrom eingedüst wird, wobei es in quer oder schräg angeströmten Strahiflammen abreagiert.
6. 6. Vorrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens nacn einem der Ansprüche 1 bis 3 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein brennbares Gemisch (2 in Abb.l) aus einer oder mehreren Düsen (1) austritt, die von Spalten (3) umgeben sind, aus welcnen ein an der Reaktion teilnehmendes oder nicht teilnehmendes Sekundärgas (4 ) ausströmt, das sich dann mit dem erstgenannten brennenden Gemisch vermischt, wobei der Vermischungsvorgang durch geeignete Wahl des Ir.pulsverhaltnisses der beiden Gasströme gesteuert werden kann.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nacn einem der Ansprüche 1 bis 3J in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichriet, daß ein brennendes Gemisch (2' in Abb.2) aus einer oder mehreren Düsen (1'), welche sich in der Wand der Brennkammer befinden, in diese so eingeführt wird, daß dieses Gemisch durch ein von unten aus dem 3rennkairrerboden strömenaes, an der Reaktion teilnehr.;endes oder nicht teilnehmendes Sekundärgas (4') quer angeströmt wird, so daß sich dieses mit der. erstgenannten brennenden Gemisch vermischt, wobei der Vermischungsvorgang durch geeignete Wahl des Impulsverhältnisses der beiden Gasströme gesteuert werden kann.