DE2363569A1

DE2363569A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von gasen durch unvollstaendige verbrennung von kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE2363569A1
Application number: DE2363569A
Authority: DE
Inventors: Gernot Staudinger
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1973-12-20
Publication date: 1974-08-29
Also published as: IN138665B; NL7317681A; FR2217269A1; BR7310038D0; DD108505A5; FR2217269B1; JPS49113795A; BE809223A; ES421654A1; AU476880B2; SE402269B; NO137786B; AU6402373A; CA1013943A; US3843307A; IT1001318B; GB1455723A; NO137786C; CH598134A5

Description

Priorität: 14. Februar 1973, Großbritannien, Nr. 7235/73

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung aur Herstellung von Gasen durch unvollständige Verbi-eimutig. einer
gasförmigen oder fein dispergierten Beschickung, die einen
oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, mit einem Oxydationsmittel, das aus Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltendem Gas besteht, in einem im wesentlichen leeren und vorzugsweise zylinderförmigen Reaktor, der mit wenigstens einer Vorrichtung für die Zuführving der Beschickung und des Oxydationsmitteis
und mit wenigstens einer Vorrichtung für das Abführen des
Reaktionsproduktes versehen ist.

In der Industrie besteht eine große Nachfrage nach Gasen, die Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxyd enthalten. Derartige Gase
können als Ausgangstnaterial für die Herstellung chemischer
Produkte, beispielsweise eines Reduktionsmittels oder eines
reinen Brennstoffs, in Hydrierprozessen verwendet werden. Sie

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körmen. durch unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hergestellt werden, wobei natürlich die Sauerstoffringe kleiner ist als die für die vollkommene Verbrennung erforderliche. Mit einem Verhältnis für 0/C von eins ergeben Kohlenwasserstoffe in diesem Idealfall Kohl-enmonoxyd und Wasserstoff, In der Praxis jedoch bilden sich unter anderem zusätzlich kleine Mengen von Kohlendioxyd, Wasser und Ruß. Durch Erhöhen des Verhältnisses von 0/C kann die gebildete Rußmenge verringert werden, es wird jedoch dann auch mehr Kohlendioxyd und V/as.*?er gebildet. Wenn das Verhältnis von 0/C ve.rringe.rt wird, v,^rcrdon weniger Kohlendioxyd und Wasser gebildet, es bildet sich jedoch mehr Ruß und es verbleiben mehr unverbrannte Kohlenwassor·- stoffe.

Von diesen Nebenprodukten ist insbesondere der Ruß nachteilig. Ruß enthaltendes Gas kann in der Regel als solches nacht verwendet werden, da es zum Entstehen von Niederschlägen und Blockierungen von Leitungen, Auslässen, Katalysatorbetten und dergleichen, führt. Das Entfernen des Rußes aus dc;m Gas ist möglich, jedoch ziemlich kostspielig., Demzufolge ist die Durchführung von Versuchen wesentlich, um die Bildung von Ruß während der Gasherstellung zu hemmen. Erfindungsgemäß worden ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, mit denen dios durchführbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die gasförmige oder flüssige Beschickung mit dem Oxydationsmittel gemischt bzw. darin fein dispergiert wird und von wenigstens einer Öffnung wenigstens einer Zuführungsvorrichtung in den Reaktor, in Form von wenigstens einem Strahl geführt wird, wobei die Anzahl der Strahlen gleich der Anzahl der Zuführöffnungen und der Anfangsteil der Reaktionszone von den Zuführungsöffnungen, deutlich entfernt ist.

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Der benutzte Ausdruck Strahl betrifft einen Gasstrahl und einen Strahl, der aus Oxydationsmittel und Beschickung besteht, die darin fein dispergiert ist.

Zusätzlich zu der Beschickung und dem Oxydationsmittel kann auch Dampf in den Reaktor eingeführt werden. Das Oxydationsmittel kann Sauerstoff, Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder irgendein. Sauerstoff enthaltendes Gas sein. Das Verfahren kann bei Atmosphärendruck oder' einem über dem Atmosphärendrück liegenden Druck ausgeführt werden. Das Mischen der Beschickung und des Oxydationsmittels erfolgt vorzugsweise am Einlaß des Reaktors, indem die Beschickung so vorgesehen wird, daß sie_ von eii.:.n 'üuführungsrohr ausströmt, dessen Auslaß in der Mitte oder etwas hinter dem Auslaß für das Oxydationsmittel angeordnet ist.

Die Geschwindigkeit, mit welcher der Strahl aus dem Zuführungsrohr austritt, ist hoch. Die Reaktionskomponcmteii brauchen eine bestimmte Zeit zur Zündung, wenn sie sich auf Entzündungstemperatur befinden. Iua allgemeinen ist die Temperatur des ausströmenden Strahls niedriger. Demzufolge erfolgt die Zündung später, da der Strahl zuerst durch die -Umgebung und durch das Reaktionsprodukt erwärmt werden muß, das zu dem einströmenden Gasstrahl unter dem Einfluß eines Saugeffektes gezogen wird. Dies hat zur Folge, daß der Anfangsteil der Reaktionszone nicht an der Stelle der Zuführungsöffnungen, sondern in einem bestimmten Abstand davon angeordnet ist. Der Abstand zwischen irgendeiner Zuführungsöffnung und dem Anfangsteil der Reaktionszone betragt vorzugsweise wenigstens das Zehnfache des Durchmessers d.

Die Verweilzeit der Reaktionskomponenten in dem Reaktor beträgt vorzugsweise wenigstens o,l s. Infolge dieser relativ langen Verweilzeit ist das Produktgas, welches die Reaktionszone verläßt, im wesentliehen frei von Radikalen. Ein Teil

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dieses Gases, das natürlich eine hohe Temperatur hat, wird infolge des Saugeffektes des Strahls bzw. der Strahlen dorthin gezogen. Demzufolge wird/werden der austretende Strahl/dio austretenden Streihlen verdünnt, die Temperatur steigt und Wasserstoff tritt in den Strahl bzw. die Strahlen ein. Eine Zündung des Strahls bzw. der Stx-ahlen erfolgt, wenn die Temperatur ausreichend hoch ist und die Zündverzögerungszeit abgelaufen ist. Für Mischungen von Kohlenwasserstoffen und Luft ist eine Temperatur von 5oo bis 9oo C erforderlich. Die Ziradverzögerungszeit beläuft sich auf wenige Millisekunden. Während dieser Zeit, d. h. unmittelbar vor dem Beginn der* Zündung, stellen sich Krack-Reaktionen ein. Durch die Anwesenheit von Wasserstoff und der sich daraus ergebenden Hydrierung wird auch die Bildung von Radikalen verhindert. Da das durch den Saugeffekt zu dem einströmenden Strahl bzw, zu den einströmenden Strahlen gezogene Produktgas frei von Radikalen ist, wird eine frühe Zündung der Reaktionskomponenten verhindert, so daß die Reaktionskomponenten spontan unter Hydrierbedingungen zünden können. Dies hat zur Folge, daß die Bildung von Ruß verhindert wird. Während der Flammenreaktion werden zusätzlich zu den gewünschten Produkten, wie CO und Hp, Radikale gebildet, die infolge der langen Verweildauer im Reaktor verschwinden, bevor ein Teil dieses Gases in den eintretenden Strahl bzw. in die eintretenden Strahlen gezogen wird.

Vorzugsweise wird für einen Eintritt des Gasstrahls bzw. der Gasstrahlen aus der Zuführungsöffnung bzw. den Zuführungsöffnungen gesorgt, bei welchem nur eine geringe Verwirbelung oder keine Wirbel auftreten. Weiterhin wird bevorzugt, daß die Reaktionskomponenten im Reaktor unter Bedingungen strömen, bei welchen Wirbel oder ein Drall- nur geringfügig oder überhaupt nicht vorhanden sind. Messungen bezüglich dieses Effektes verringern die Möglichkeit, daß das Reaktionsgas Radikale enthält, die in den eintretenden Strahl bzw. die eintretenden Strahlen gezogen werden.

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Aus den vorstehenden Ausführungen ersieht man, daß die Lage des Anfangsteils der Reaktionszone relativ zu der Zuführungs-Öffnung bzw. den Zuführungsöffnungen unveränderlich bzw. stabil ist und hauptsächlich durch die Zusammensetzung des Gemisches und dessen Temperatur an der Zuführungsöffnung bzw. den Öffnungen durch die Geschwindigkeit des Strahls bzw. der Strahlen aus der Zuführungsöffnung bzw. den Zuführungsöffnungen festgelegt ist. Diese Geschwindigkeit wird in geeigneter Weise als Prozeßvariable für· die Einstellung der richtigen Wirkungsweise des Prozesses benutzt. Das Kriterium kann die Lage des Anfangsteils der Reaktionszone sein, die visuell oder durch Messung der Temperatur an der gewünschten Stelle bewertet werden kann. Die Zusammensetzung des Produktgases kann ebenfalls als Kriterium verwendet werden, beispielsweise durch Überwachung des Vorhandenseins von Ruß in dem Produktgas.

Eine Vorrichtung, die zur Durchführung der Herstellung von Gasen wie vorstehend betrieben auf vorteilhafte Weise geeignet, ist, besteht aus einem im wesentlichen leeren und vorzugsweise zylinderförmigen Reaktor, der mit wenigstens einer Vorrichtung für die Zuführung der Beschickung und des Oxydationsmittels an einem Ende des Reaktors und mit wenigstens einer Vorrichtung für das Abführen des Reaktionsproduktes versehen ist. Bei dieser Vorrichtung weist jede Zuführungsvorrxchtung wenigstens ein in Längsrichtung des Reaktors verlaufendes Rohr mit einem offenen Ende auf, wobei die Auslaßöffnung den Durchmesser d besitzt. Die Abmessungen des Reaktors sind derart, daß der Durchmesser wenigstens zehnmal so groß ist., wie der Durchmesser d des Auslasses der Zuführungsvorrichtung und daß die Länge wenigstens fünfzigmal so groß ist wie der Durchmesser d. Mit diesen Abmessungen des Reaktors wird die Herstellung eines rußfreien Gases nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, da die Forderung bezüglich einer Verweilzeit von wenigstens o,l s bei der gewünschten Beschickungsgeschwindigkeit erfüllt werden kann. Eine Zurückfünrung des Produktgases zu dem Strahl oder den Strahlen des Reaktionsgemisches ist auf einfache Weise möglich.

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Wenn ein Zuführungsrohr vorhanden ist, fällt seine Mittellinie vorzugsweise mit der Mittellinie des Reaktors zusammen.

Wenn eine Vielzahl von Zuführungsrohren vorhanden ist, sind sie vorzugsweise in einer regelmäßigen Gruppierung bezüglich des Mittellinie des Reaktors angeordnet, wobei der Abstand jeweils zwischen zwei Zuführungsrohren wenigstens zehnmal so groß ist wie der Durchmesser d und der Durchmesser des Reaktors so rroß ist, daß der Abstand zwischen der Reaktorwand und dem nächsten Zuführujigsrohr bzw. den nächsten Zuführungsrohrftn wenigstens; fünfmal so groß ist wie der Durchmesser d.

Vorzugsweise sind zw°i oder mehr Abgabevorrichtungen, die gleichmäßig um den Umfang des Reaktors beabstandet sind, in einem Abstand von der Einlaßseite vorhanden, der wenigstens der halben Reaktorlänge gleich ist. Dies ist vorteilhaft, weil Gas, welches infolge des Saugeffektes des.Strahls bzw. der Strahlen zu dem eintretenden Strahl bzw. zu den eintretenden Strahlen gezogen wird, eine längere Verweilzeit hat als dies der Fall ist, wenn die Auslässe näher an dem Einlaß bzv.', dan Einlassen liegen« Die Strömungsgeschwindigkeit des zu dem eintretenden Strahl bzw. zu den eintretenden Strahlen gezogenen. Gases ist nämlich unter den Auslässen geringer, da das Gas, welches abgezogen worden ist, nicht langer an der Strömung teilnimmt. Dies ist von Nutzen für das Verschwinden der Radikalen aus dem Gas, das rückgeführt bzw. wieder umgewälzt werden soll. Die Abgabevorrichtung bzw. die Abgabevorrxchtungen können in einem maximalen Abstand von dem Einlaß bzw. den Einlassen des Reaktors angeordnet sein.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine .erfindungsgemäße Vorrichtung.

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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor auf der Höhe der Einlasse.

Fig. 3 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors.

Der in Fig. 1 gezeigte Reaktor 1 ist mit einer Vorrichtung 2 für die Zuführung des Brennstoffs 3 und des Oxydationsmitt€»ls h versehen. Bei diesem Beispiel ist der Durchmesser des Reaktors annähernd vierzehnmal so groß wie der Durchmesser des Auslasses der Zuführungsvorrichtung 2. Die Länge des Reaktors ist annähernd sechzigmrtl so groß. Der Durchmesser des Auslasses der Zuführungsvorrichtung 2 ist der Durchmesser d. Eine Vorrichtung 5 für die Abgabe des 7^ca\tionsproduktes ist hier gegenüber der Zuführungsvorrichtung 2 angeordnet· Das Gemisch, das reagieren soll, tritt aus der Zuführungsvorrichtung 2 als ein Strahl 6 mit hoher Geschwindigkeit aus. In einem Abstand, bei diesem Beispiel in einem Abstand von annähernd dem Di'eizehnfachen des Durchmessers des Auslasses der Zuführungsvori'ichtung 2, ist der Anfangsteil der Reaktionszone 7 angeordnet. Ein Teil des Produktgases wird zu dem Strahl 6 durch Saugen gezogen, was diirch die Pfeile 8 angedeutet ist. Das Produktgas 9 verläßt den Reaktor über die Abgabevorrichtung 5·

In Fig. 2 ist ein Reaktor Io mit vier Zuführungsrohren 11 gezeigt. Der Abstand zwischen zwei Zuführungsrohren beträgt hier wenigstens etwa das Elffache des Durchmessers des Auslasses des Zxiführungsrohres 11. Der Abstand zur Wand des Reaktors Io beträgt wenigstens das Sechsfache dieses Durchmessers. Die Zuführungsrohre können Teil einer Einlaßvorrichtung sein.

In Fig. 3 ist ein oberes Teil 12 eines Reaktors dargestellt. Dieses Teil ist auf der Oberseite geschlossen, kxxf einem darunter liegenden Niveau ist eine Vielzahl von Auslassen 1'j angeordnet, die um den Umfang herum gleichmäßig beabstandet sind tind in eine Ringleitung lk abführen, aus der das Produkt

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erhalten Virerden kann. Der Abstand von den Auslässen 13 zum Einlaß des Reaktors, der nicht gezeigt ist, beträgt wenigstens die halbe Länge des Reaktors.

BEISPIEL

In einem Reaktor mit einer Länge von 25o mm, einem Durchmesser¹ νρχί 48 mm und einem mittig angeordneten Zufiihrungsrohr mit einem Durchmesser von 4 mm werden Gemische von Kohlenwasserstoffen und Luft bei verschiedenen Temperaturen und mit verschiedenen Mengenströmen eingeführt. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenwasserstoff, bei welchem die Rußbildung eintritt, wird festgelegt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.

Ver- Beschickung Mengensuch strom Nr. ' der

Beschikkung in l/h"

Geschwin- Produktdigkeit des Gemisches aus Beschickung und Luft in m/s

temperatur am Auslaß in °C

0/C-

Verhältnis bei der Rußgreiize* )

1	i-C.EL 4 Io	ko	5,3	lloo-12oo	2	,1
2	11	6o	7,9	lloo-12oo	2	,1
3	Il	7o	9,2	11oo-12oo	2	,1
4"	It	loo	7,4	lloo-12oo	1	,0
5	Il	13o	9,4	lloo-12oo	1	,0
6	C₂H₄	80	10,1	1 J.oo-12oo	1
7		60	3,9	850-900	0

) Die Rußbildung beginnt bei einem Verhältnis von O

das niedriger als das angegebene ist. *) Die Rußgrenze ist noch nicht erreicht.

C ,

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— Q —

Bei den Versuchen 1, 2 und 3 gab es keinen deutlichen Abstand zwischen dem Anfangsteil der Reaktionszone und der Öffnung des Zuführungsrohres. Die lineare Geschwindigkeit war zu klein für das gegebene O/C-Verhältnis. Bei den Versuchen 4, 5,6 und 7 war ein Abstand von mehr als dem Zehnfachen des Durchmessers des Zuführungsrohres vorgesehen.

Die Ergebnisse zeigen, daß, sobald die Strahlwirkung des Beschickung-Luft-Gemisches eine Rolle spielt, die Rußbildung bei einem sehr niedrigen O/G-Verhältnis von unter 1,o einsetzt. Für i-C₄H. erhält man bei einer Auslaßtemperatur von lloo bis 12oo°C die gezeigten günstigen Ergebnisse ir.it einer Strahlgeschwindigkeit von wenigstens 7,4 m/s und für C₃H₄ von wenigstens 10,1 m/s.

Versuch 7, bei welchem i-C,H bei der niedrigeren Keaktionstemperatur von 85o bis 9oo°C verwendet wird, zeigt, daß die Rußgrenze bei einem noch niedrigeren O/C-Verhältnis liegt. Dies ergibt sich durch die längere Zeit, die erforderlich ist, um das Gas zum Reagieren zu bringen,. was zur Folge hat, daß mehr Gas_t welches vollständig reagiert hat, zu dem eintretenden Gas gezogen wird und daß ein höherer Verdünnungsgrad erreicht wird. Zu Vergleichszwecken wird angegeben, daß bei einem Bunsenbrenner, wie er für Laborzwecke verv/endet wird, die Rußgrenze für 1-C₄H bei einem O/C-Verhältnis von 2,2 liegt.

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Claims

- Io - PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Gasen durch unvollständige Verbrennung einer gasförmigen oder flüssigen Beschickung, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthalt, mit einem Oxydationsmittel, welches aus Sauerstoff oder einen Sauerstoff enthaltendem Gas besteht, in einem iin wesentlichen leeren Reaktor, der mit wenigstens einer Vorrichtung für die Zuführung der Beschickung und des Oxydationsmittels und mit wenigstens einer Vorrichtung für das Abführer« des ^rf f Irtionsproduktes versehen iist, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige oder flüssige Bescliikkung mit dom Oxydationsmittel gemischt oder darin fein, dispergiert wird und von wenigstens einer Öffnung von wenigstens einer Zuführungsvorrichtung'in den Reaktor in Form von wenigstens einem Strahl eingeführt wird, wobei die Anzahl der Strahlen gleich der Anzahl der Zuführungsöffnungen und der Anfangsteil der Reaktionszone deutlich von der· Zuführungsöffnung bzw. den Zuführung«öffnungen entfernt ist«

2. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen jeder ZuführungsÖffnung und de;n Änfangsteil der Reaktionszone wenigstens das Zehnfache des Durchmessers der ZuführungsÖffnung beträgt.

„ Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit der Reaktionskomponenten in dent Reaktor wenigstens o,l s beträgt«

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß der* Strahl bzw. die Strahlen, die aus der Zuführungs Öffnung austritt bzw=, die aus d&n Zuführungs· Öffnungen austreten, eine geringfügige oder keine Verwirbelung hat bzw» haben.

5. Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadux-ch gekennzeichnet, daß die Reaktionskoraponenten im Reaktor unter Bedingungen strömen, bei denen nur eine geringfügige oder keine Verwirbelung vorliegt.

6. Vorrichtung für die Erzeugung von Gasen durch unvollständige Verbrennung einer gasförmigen oder flüssigen. Beschickung, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, mit einem Oxydationsmittel, das aus Sauerstoff oder einem Sauerstoff enthaltendem Gas besteht, gekennzeichnet, durch einen im wesentlichen leeren Reaktor, der mit- wenigstens einer Vorrichtung für die Zuführung der Beschickung und des Oxydationsmittels an einem Reaktorende und mit wenigstens einer Vorrichtung für das Abführen des Realctionsprodukt.es versehen ist, wobei jede Zuführungseinrichtung mit wenigstens einem am Ende offenen Rohr mit einem Durchmesser d der Auslaßöffnung versehen ist, die in Längsrichtung des Reaktors verläxif t, und die Abmessungen des Reaktors derart sind, daß der Durchmesser wenigstem zehnmal so groß ist wie der Durchmesser d und daß die Länge wenigstens fünfaigmal so.groß ist wie der Durchmesser d.

7. Vorr-ichtting nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer Zuführungsleitung deren Mittellinie mit der Mittellinie des Reaktors zusammenfällt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von zwei oder mehr Zuführungsrohren diese in einer regelmäßigen Gruppierung relativ zur Mittellinie des Reaktors angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei Zuführungsrohren wenigstens zehnmal so groß ist wie der Durchmesser d und der Durchmesser des Reaktors so groß ist, daß der

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Abstand zwischen der ¥and des Reaktors und dom nächsten Zu führung s rohr bzw. den nächsten Zuf ühruzigsrohren wenigstens fünfmal so groß ist wie der Durchmesser d.

9« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Abgabevorrichtungen gleichmäßig um den. Umfang des Reaktors beabstandet in einem Abstand von der Einlaßseite vorhanden sind, der wenigstens gleich der halben Länge des Reaktors ist.

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