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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Acetylen durch partielle
Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Es ist bekannt, Acetylen durch Teilverbrennung
von Kohlenwasserstoffen herzustellen. Bei der partiellen Oxydation von Kohlenwasserstoffen
mit Sauerstoff werden die beiden Ausgangsstoffe einzeln erhitzt und dann in einer
Mischeinrichtung möglichst vollständig miteinander vermischt. Das Gemisch strömt
anschließend durch einen Brennerblock und wird unterhalb von diesem zur Reaktion
gebracht. Die Reaktion geht in einer Flamme vor sich.
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Nachdem die Bildung des Acetylens beendet ist, wird durch Einspritzen
einer Flüssigkeit in den Gasstrom die Temperatur möglichst rasch erniedrigt, um
den Zerfall des gebildeten Acetylens zu verhindern.
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Die charakteristischen Bestandteile eines Brenners, wie er in technischen
Anlagen seit langem eingesetzt wird, sind die Mischvorrichtung mit angesetztem Diffusor,
der Brennerblock mit einer Anzahl paralleler zylindrischer, im Kreis-, Rechteck-
oder Sechseckverband angeordneter Kanäle, der Feuerraum und die Quenchvorrichtung.
Der umzusetzende Kohlenwasserstoff und der Sauerstoff werden möglichst hoch vorerhitzt,
jedoch wird die Temperatur so begrenzt, daß bei oder nach der Vermischung keine
Zündung vor dem Brennerblock erfolgt. Das Gemisch wird mit Geschwindigkeiten, die
größer als die Flammengeschwindigkeit sind, durch den Brennerblock geleitet, um
einen Flammenrückschlag vom Feuerraum in den Diffusor und die Mischvorrichtung zu
vermeiden.
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Eine wichtige Funktion, die der Brennerblock erfüllen muß, ist die
eines Flammenhalters. Für die Acetylenausbeute ist es wesentlich, daB die Flammen
unterhalb des Blocks stabilisiert werden. Wenn die Flammen der einzelnen Blockkanäle
in verschiedenem Abstand von der Stirnfläche des Brennerblocks brennen, bedingt
dies ein breites Verweilzeitspektrum für die Spaltprodukte im Feuerraum. Eine verringerte
Acetylenausbeute und ein erhöhter Rußanfall sind die Folge.
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Es wurde nun gefunden, daß man bei der Herstellung von Acetylen durch
partielle Oxydation von Kohlenwasserstoffen mit Brennerblöcken, die eine Mehrzahl
von parallelen Kanälen besitzen, eine ausgezeichnete Flammenstabilisierung und eine
Erhöhung der Acetylenausbeute erzielt, wenn man Brennerblöcke verwendet, deren Kanäle
gegen die Austrittsöffnung hin konisch verengt sind.
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FUr die Durchführung des Verfahrens werden bis auf die Brennerblockkanäle,Brenner
bekannter Bauart mit Mischvorrichtung, Diffusor, Brennerblock, Feuerraum und Quenchvorrichtung
eingesetzt. Die erfindungsgemäß verwendeten Brennerblockkanäle bestehen aus einem
zylindrischen Teil mit angesetztem Konus, dessen OffnungswinkeldO zwischen 4 und
450, bevorzugt zwischen 6 und 0 20°, betragen kann. Die Durchmesser des zylindrischen
Teils und der Konusöffnung der Blockkanäle können im Bereich zwischen 15 und 30
mm liegen. Die Wahl des Durchmessers richtet sich nach dem gewünschtenDurchsatz.
Es müssen Gasgeschwindigkeiten für das Reaktionsgemisch eingestellt werden die einen
Flammenrückschlag vermeiden. Die Geschwindigkeiten liegen im allgemeinen zwischen
20 und 100 m/sec. Zur Verhinderung eines Flammenrückschlags muß außerdem für die
Blockkanäle eine Mindestlänge - etwa das Vi erfache des Durchmessers des zylindrischen
Teils - eingehalten werden. Geeignet sind z.B. Brennerbiöeke, deren Kanäle- 160
mm lang sind. Die Kanäle können z.B. im Sechseckverband angeordnet sein.
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Es sind auch andere Anordnungen möglich. Die erreichbare Ges amtkapazität
eines Brennerblocks ist außer vom Durchmesser der Blockkanäle von der Anzahl der
Kanäle abhängig. Für die Ausführung der Versuche wurde ein Block mit 19 Kanälen
gewählt. In größeren technischen Anlagen verwendet man zweckmäßigerweise Brennerblöcke
mit 100 bis 150 Kanälen. Nach dem Verfahren kann man-gasförmige oder verdampfbare
flüssige Kohlenwasserstoffe z.B. Methan, Xthan, Propan, Butan oder Benzin mit einem
Siedeende von 1600C spalten. Der Sauerstoff wird zweckmäßig in etwa gleichen Gewichtsmengen
zugegeben. Die Kohlenwasserstoffe werden im allgemeinen auf Temperaturen von 250
bis 900QC vorgewärmt und darauf mit dem erforderlichen Sauerstoff, der gegebenenfalls
auch vorgewärmt wird, vermischt, in den Brenner eingefUhrt.
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Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren und
und
zeigt das Ergebnisse eines Versuchs, der mit einem Brennerblock durchgeführt wurde,
der mit den erfindungsgemäß konisch verengten Kanälen ausgerUstet war. In den Vergleichsversuchen
sind die Ergebnisse wiedergegeben, die man bei Verwendung rein zylindrischer Kanäle
erhält. Man erkennt, daß mit durchgehend zylindrischen Kanälen deutlich schlechtere
Ergebnisse erhalten werden.
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In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Aeetylengehaltes im Spaltglas von
der Belastung fUr die in dem Beispiel verwendeten Kanäle dargestellt. Die gestrichelten
Kurven A und B zeigende Ergebnisse, die mit den in den Vergleichsversuehen A und
B verwendeten Brennerblöcken erzielt wurden. Wie ersichtlich, ist der Block mit
konischen Kanälen (Kurve c) im gesamten untersuchten Belastungsbereich den Blöcken
mit durchgehend -zylindrischen Kanälen überlegen Beispiel In der Fig. 1 ist ein
Brennerblock der erfindungsgemäßen Art wiedergegeben. Die Fig. 2 zeigt die Aufsicht
auf die Unterseite des Brennerblocks. Je Stunde werden 820 kg Benzin mit dem spez.
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Gew. von 0,69, einen Siedebereich von 41 bis 121 0C, und einer Dampfdichte
von 4,0 kg/Nm3 in einem Vorwärmer verdampft und auf 3000C erwärmt. In einer Mischeinrichtung
wird der Benzindampf mit 575 Nm3 Sauerstoff/h, der in einem getrennten Vorwärmer
ebenfalls auf 300°C erwärmt wurde, gemischt und durch den Diffusor A (Fig. 1) zum
Brennerblock B geleitet. Das Gemisch hat unmittelbar vor dem Eintritt in den Brennerblock
eine Temperatur von 2800C.
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Der Brennerblock enthält 19 Kanäle C von 25 mm Durchmesser, die sich
an ihrem unteren Ende bei L auf 21,5 mm konisch verengen.Die Konuslänge ist 30 mm.
Die Kanäle des Brennerblocks sind in einem Sechseckverband angeordnet, dessen äußere
Begrenzungslinie einen Abstand von 205 mm hat.
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Im Reaktionsraum H, der durch den Brenner und den Feuerraum K von
300 mm Länge begrenzt ist, wird das Gemisch entzUndet. 3 Nm3 Hilfssauerstoff/h werden
durch die Leitung D dem Reaktionsgemlsch an der Entzündungsstelle bei E zugeführt.
Durch die Leitung F-werden ebenfalls 3 Nm' Sauerstoff/h nahe der Innenwand bei G
eingeleitet.
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Nach beendeter Reaktion wird das Gemisch durch Einspritzen von-
Wasser
auf 80°C abgeschreckt.
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Es werden 1 790 Nm3 trockenes Spaltgas/h mit folgender Zusammensetzung
erhalten: C2H2: 10,7 Vol.-S, H2: 41,8 Vol.-%, CO: 38,2 Vol.-%, CH4: 4,5 Vol.-%,
C02:3,0 Vol.-%, O2: 0,1 Vol.-%, höhere Kohlenwasserstoffe: 0,3 Vol.-%, N2: 1,4 Vol.-%
Das Spaltgas enthält außerdem 12 g Ruß/Nm3. Es errechnet sich eine Ausbeute von
222,0 kg C2H vh mit einem spezifischen Benzinverbrauch von 3,69 kg Benzin/kg C2H2
und einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 3,75 kg Sauerstoff/kg C2H2 bei einem
spezifischen Rußanfall von 0,10 kg Ruß/kg C2H2.
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Vergleichsversuch A Die Umsetzung wird zum Vergleich mit einem Brennerblock
durchgefUhrt, dessen Kanäle an der Mündung nicht verengt, sondern rein zylindrisch
sind und einen Durchmesser von 21,5 mm aufweisen. Die übrigen Abmessungen des Brenners
werden gegenüber dem im Beispiel genannten Brenner beibehalten.
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Im Brenner mit den geänderten Blockkanälen werden. je Stunde 800 kg
Benzin der oben genannten Art und 555 Nm3 Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Bei
E und G wurden jeweils 3 Nm3 Hilfssauerstoff/h zugeführt.
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Man erhält 1 695 Nm³ trockenes Spaltgas/h folgender Zusammensetzung:
C2H2: 10,4 Vol.-%, H2: 59»9 Vol.-%, CO: 38,o Vol.-%, CH4: 5,9 Vol.-«, CO2: 3,4 Vol.-%,
82: 0,4 Vol.-%, höhere Kohlenwasserstoffe: 0,4 Vol.-«, N2: 1,6 Vol.-%.
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Das Spaltgas enthält außerdem 15 g Ruß/Nm3. Es errechnet sich eine
Ausbeute von 204,1 kg C2H vh mit einem spezifischen Benzinverbrauch von 3,92 kg/kg
C2H? und einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 3,93 kg/kg C2H2 bei einem spezifischen
Rußanfall von 0,12 kg/kg C2H2.
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Vergleichsversuch B Die Umsetzung wird zum Vergleich mit einem Brennerblock
durchgeführt, dessen Kanäle an der Mündung nicht verengt, sondern rein zylindrisch
sind und einen Durchmesser von 25 mm aufweisen. Die übrigen Abmessungen des Brenners
werden gegenüber dem im Beispiel genannten Brenner beibehalten.
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Im Brenner mit den geänderten Blockkanälen werden Je Stunde 850 kg
Benzin der oben genannten Art und 585 Nm3 Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Bei
E und G werden jeweils 3 Nm3 HilRssauerstoff/h zugeführt.
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Man erhält 1 840 Nm3 trockenes Spaltgas/h folgender Zusammensetzung:
C2H2: 9,9 Vol.-, H2: 41,5 Vol.-%, CO: 38,3 Vol.-% CH4: 4,1 Vol.-%, C02: 3,7 Vol.-%,
0,: 0,6 Vol.-« höhere Kohlenwasserstoffe: 0,3 Vol% N2 : 1,6 Vol.-%.
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Das Spaltgas enthält außerdem 16 g Ruß/Nm3. Es errechnet sich eine
Ausbeute von 211,8 kg C2H2/h mit einem spezifischen Benzlnverbrauch von 4,02 kg/kg
C2H2 und einem spezifischen Sauerstoffverbrauch von 4,20 kg/kg C2H2 bei einem spezifischen
Rußanfall von 0,14 kg/kg C2H2.