DE2052543B2

DE2052543B2 - Verfahren zur Herstellung von Acetylen-Aetylen-Gemischen

Info

Publication number: DE2052543B2
Application number: DE2052543A
Authority: DE
Inventors: Henning Bockhorn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-10-27
Filing date: 1970-10-27
Publication date: 1980-11-06
Also published as: IT939953B; BE774449A; US3741736A; JPS5229284B1; FR2110056A5; NL7113025A; DE2052543A1; GB1373373A; DE2052543C3; CA946156A

Description

15

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur nichtkatalytischen Synthese von ungesättigten Kohlenwasserstoffen aus leichten Kohlenwasserstoffen in Diffusionsflammen.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Acetylen und Äthylen, sind endotherme, bei Raumtemperatur gegenüber den Elementen metastabile Verbindungen. Die freien Bildungsenthalpien für die Bildungsreaktionen dieser Verbindungen aus gesättigten Kohlenwasserstoffen werden erst oberhalb von Temperaturen von 1000⁰K negativ. Daher muß bei der Synthese dieser Verbindung, insbesondere von Acetylen und Äthylen, aus gesättigten Kohlenwasserstoffen nicht nur die für die endotherme Reaktion notwendige Energie aufgebracht werden, sondern die Reaktionen müssen auch bei Temperaturen von über 1000⁰K durchgeführt werden. Diese Bedingungen lassen sich unter anderem in Falmmen realisieren, in denen bei hoher Temperatur sehr viel Energie auf kleinem Raum freigesetzt werden kann.

Es ist bekannt, daß bei der Durchführung der Synthese von Acetylen und Äthylen in Flammenreaktionen eine exotherme Verbrennungsreaktitm mit der endothermen Synthese gekoppelt wird. Dabei lassen sich zwei Verfahrensprinzipien unterscheiden: Bei Einstufenprozessen laufen beide Reaktionen in Form einer unvollständigen Verbrennung des eingesetzten Kohlenwasserstoffs nebeneineinander ab (DE-PS 1174 762 und DE-PS 1159 409 und H. Sachsse, Chemie-Ing.-Techn. 26,245 [1945]). Bei Zweistufenprozessen werden die Einsatzprodukte für die endotherme Synthesereaktion mit den heißen Verbrennungsgasen einer oder mehrerer energieliefernder Flammen vermischt und so zur Reaktion gebracht (DE-PS 10 40 533 und DE-AS12 37 095). Die Reaktionsprodukte Acetylen und Äthylen sind bei den vorhandenen Reaktionstemperaturen gegenüber den Elementen instabil, so daß die gesamte Reaktionsmasse nach kurzer Verweilzeit in der heißen Reaktionszone abgeschreckt werden muß. Dadurch werden Acetylen und Äthylen in einen thermodynamisch metastabilen Zustand überführt. Das Abschrecken erfolgt durch Wärmeaustauscher oder durch direktes Einspritzen eines Kühlmediums, beispielsweise Wasser.

Die bekannten Einstufenverfahren werden mit vorgemischtem Reaktionsgemisch durchgeführt. Dabei werden Brennstoffe und Oxydationsmittel vorgeheizt, in einem Diffusor vermischt und strömen anschließend durch einen Brennerblock, an dem sich die Flammen ausbilden. Diese Reaktoren können, um ein Rückschlaeen der Flammen in den Mischer zu verhindern, bei festliegender Flammengeschwindigkeit der Gemische nur unter ganz bestimmten Strömungsverhältnissen betrieben werden.

Sie sind daher wenig flexibel, da die Flammengeschwindigkeiten der Gemische von ihrer Zusammensetzung, & h. dem C/O-Verhältnis, abhängen. Durch das C/O-Verhältnis ist wiederum die Reaktionstemperatur und damit das Verhältnis der ungesättigten Kohlenwasserstoffe zueinander (z. B. das Verhältnis von Acetylen zu Äthylen) im Reaktionsprodukt festgelegt

Die bekannten Zweistufenverfahren besitzen diese Nachteile nicht, da hier die Reaktionstemperatur und das Verhältnis der ungesättigten Kohlenwasserstoffe im Reaktionsprodukt durch das Verhältnis der Volumenströme von Wärmeträger zu Einsatzgemisch eingestellt werden können. Sie könnnen jedoch nur in kompliziert aufgebauten Reaktoren durchgeführt werden.

Es wurde nun ein Verfahren gefunden zur Herstellung von Acetylen und Äthylen durch Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen oder deren Gemischen mit Sauerstoff oder Sauerstoff als wesentlichen Bestandteil enthaltenden Gasgemischen in einer Diffusionsflamn?.·; dadurch gekennzeichnet, daß man die Vermischung des Kohlenwasserstoffes mit dem Sauerstoff, bzw. mit dem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch bei gleicher Bruttozusammensetzung des Reaktionsgemisches mit Hilfe des Impulsverhältnisses steuert.

Durch die Durchführung der Synthese in Diffusionsflammen werden zum einen die bei den vorgenannten Verfahrensweisen auftretenden Nachteile vermieden. Der Kohlenwasserstoff und der Sauerstoff, bzw. das sauerstoffhaltige Gasgemisch, werden getrennt und gegebenenfalls vorgeheizt in den Verbrennungsraum eingeführt Dies erfolgt derart daß sich beide Partner im Verbrennungsraum in Form von konzentrischen Strahlen vermischen. Die Verbrennungsreaktion wird durch die Geschwindigkeit der Vermischung des Kohlenwasserstoffes mit dem Sauerstoff im Verbrennungsraum bestimmt Da der Kohlenwasserstoff und Sauerstoff erst im Reaktionsraum vermischt werden, treten in Diffusionsflammen örtlich Inhomogenitäten in bezug auf Temperatur und Konzentration der einzelnen Komponenten auf. Diese Inhomogenitäten lassen sich zum anderen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Impulsverhältnisse von kohlenwasserstoffstrahl und Sauerstoffstrahl beeinflussen. Der Impuls des Kohlenwasserstoffstrahls ist: Masse des Kohlenwasserstoffs m (g) multipliziert mit der mittleren Lineargeschwindigkeit ν (cm/sec) bezogen auf den Austrittsquerschnitt in den Verbrennungsraum. Für den Sauerstoffstrahl gilt entsprechendes. Zweckmäßigerweise rechnet man mit den Impulsströmen. Mit den Impulsverhältnissen kann das in den Bereichen der Vermischung herrschende effektive C/O-Verhältnis dem aus den Volumenströmen von Kohlenwasserstoff und Sauerstoff unter Annahme vollständiger Vermischung berechneten angeglichen werden. Besitzt beispielsweise der Kohlenwasserstoffstrahl gegenüber dem Sauerstoffstrahl einen sehr hohen Impuls, so wird der Sauerstoff sehr schnell in den Kohlenwasserstoffstrahl eingesaugt und intensiv mit diesem vermischt. Das führt zu relativ geringen Abweichungen des effektiven C/O-Verhältnisses von aus den Volumenströmen unter Annahme vollständiger Vermischung berechenbaren und somit zu heißen Flammen mit hohem Acetylengehalt im Produktgas. Gleichen sich die Impulse beider Strahlen, so ist die Vermischung weniger intensiv. In der Achse des Kohlenwasscrstoffstrahls befinden sich Bereiche star-

ker Unvermischtheit An den Berührungszonen der beiden Strahlen bilden sich Flammen aus, deren Wärme in die Bereiche starker Unvermischtheit übertragen wird. Dadurch enthalten die Produktgase bsi niedrigerer mittlerer Temperatur einen höheren Anteil an Äthylen.

Die Synthese von Acetylen und Äthylen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem einfachen Reaktor mit Hilfe von Diffusionsflammen durchgeführt, so daß ein Rückschlägen der Flammen in vorgeschaltete ι ο Einrichtungen unmöglich ist Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Produktverteilung insbesondere das Verhältnis von Acethylen und Äthylen durch die Wahl des Impulsverhältnisses von Brennstoff und Oxidans bei gleicher Bruttozusammensetzung des Reaktionsgemisches, d. h. Konstanz der Volumenströme (mVh) von Brennstoff und Oxidans, große Flexibilität auf. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit deutlich von Verfahren zur Herstellung von Acethylen in vorgeroischten Flammen (z.B. DE-PS 8 75 198), bei denen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff vorgemischt in den Verbrennungsraum eingeführt werden und der Vennischungsprozeß nicht beeinflußt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich aber auch deutlich von den bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Herstellung von Acethylen und Äthylen, bei denen die Reaktionspartner getrennt in den Reaktionsraum eingeführt werden. Bei einem dieser Verfahren (GB-PS 8 31 115) werden die Reaktionspartner so in den Brennraum eingeführt, daß sich eine möglichst große inverse Diffusionsflamme ausbildet, in der große Anteile des eingesetzten Kohlenwasserstoffes umgesetzt werden können. Bei einem anderen Verfahren (NL-PS 47 645) wird mindestens ein Reaktionspartner mit so hoher Geschwindigkeit in den Reaktionsraum eingeführt, daß der andere Reaktionspartner so rasch mit ersterem vermischt wird, daß erst nach vollständiger Vermischung der Reaktionspartner eine Flamme auftritt Bei einem dritten Verfahren schließlich (US-PS 31 53 104) werden die Ströme der Reaktionskomponenten so in den Verbrennungsraum geführt daß die Crackprodukte nach erfolgtem Umsatz des Kohlenwasserstoffes durch Vermischen mit kälterem Gas wirksam gekühlt werden. In keinem der drei Verfahren wird die Flammenreaktion selbst, wie im erfindungsgemäßen Verfahren, durch die Beeinflussung der Vermischung zwischen Kohlenwasserstoff und Oxidans — durch die Impulsverhältnisse zwischen Kohlenwasserstoff und Oxidans — gesteuert

Das erCndungsgemaße Verfahren wird vorteilhaft in einer Vorrichtung durchgeführt die im Prinzip in den A b b. la und Ib erläutert wird. Dabei stellt A b b. la einen Querschnitt und A b b. Ib einen Längsschnitt dar. Durch eine Anzahl hier rund gezeichneter Düsen 1 wird der gasförmige Kohlenwasserstoff 2 geleitet Jede der Düsen (es können eine oder mehrere Düsen vorgesehen sein) ist umgeben von einem hier als Ringspalt gezeichneten Strömungskanal 3, durch den der gasförmige Sauerstoff 4 geleitet wird. Von den Düsen 1 aus bilden sich Diffusionsflammen 5 aus. Die gesamte Anordnung ist umgeben von den Wandungen der Brennkammer 6. Die heißen Reaktionsgase werden an geeigneter Stelle durch eine Abschreckvorrichtung 7 gequencht

Beispiele

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden die in der Spalte 2 der Tabelle 1 aufgeführten Mengen an Kohlenwasserstoff, in den aufgeführten Beispielen Propan, durch die Düsen 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung geleitet Durch die Düsen 1 umgebenden Ringspalte 3 wurden die in der Spalte 3 der Tabelle 1 aufgeführten Mengen an Sauerstoff geführt Dadurch stellten sich an den Düsenaustritten die in der Spalte 4 aufgeführten Impulsstromverhältnisse ein, wobei die Gemische die in der Spalte 5 angegebenen rechnerischen, d.h. die sich bei vollständiger Vermischung einstellenden C/O-Verhältnisse besaßen. Die Impulsströme sind berechenbar aus den Mengenströmen und den Düsenquerschnitten. Die Zusammensetzung des gequenchten Produktgases der einzelnen Versuche ist in den Spalten 6 — 13 der Tabelle 1 angegeben. Dabei bedeuten die aufgeführten Zahlen die Volumenanteile in % der einzelnen Komponenten im Produktgas. Schließlich sind in den Spalten 14 und 15 der Tabelle 1 die Ausbeuten an Acethylen und Äthylen für die aufgeführten Beispiele angegeben. Dabei ist die Ausbeute als Quotient aus der Zahl der Mole Kohlenstoff im erhaltenen ungesättigten Kohlenwasserstoff und der Zahl der Mole Kohlenstoff im eingesetzten Kohlenwasserstoff definiert

Tabelle 1

1	2	3	4	5	6	7	8
Versuch Nr.	Vkw	^V°2₃ Nm³/h	I_KW/I₀	C/O	CH₄	C₂H₂	C₂H₄
	Nm³/h

2,25
2,28
2,30
2,37
2,38
2,44
2,50
2.54

2,41
2,44
2,31
2,34
2,36
2,23
2.27
2.17

2,2
18,8

2,7
22,0
63,0

3,0
26,0
84.8

7,2
5,8
7,4
7,0
6,9
7,9
7,5
10,4

5,7
6,4
5,6
6,0
7,5
5,6
5,7
6.3

5,5
4,0
5,8
5,5
1,0
6,4
6,3
3.4

Fortsetzung

19 10 11 12 13 14 15

Versuch Nr. C₃H₈ H₂ CO CO₂ H₂O Ac₂H₂

1 0,3

6 0,5

8 - 48,1 27,6 4,0 0,1 0,205 0,112

40,8	27,5	3,6	9,3	0,184	0,178
45,3	28,4	3,0	6,7	0,225	0,103
43,3	27,3	3,7	6,3	0,179	0,186
44,6	27,7	3,3	5,8	0,196	0,179
51,8	28,4	4,2	0,5	0,265	0,032
44,7	26,9	3,7	4,7	0,175	0,200
46,3	27,3	3,5	3,4	0,182	0,201

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Acetylen und Äthylen durch Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen oder deren Gemische mit Sauerstoff oder Sauerstoff als wesentlichen Bestandteil enthaltenden Gasgemischen in einer Diffusionsflamme dadurch gekennzeichnet, daß man die Vermischung des Kohlenwasserstoffs mit dem Sauerstoff, bzw. mit dem Sauerstoff enthaltenden Gasgemisch bei gleicher Bruttozusammensetzung des Reaktionsgemisches mit Hilfe der Impulsverhältnisse steuert