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Verfahren zur Herstellung von Acetylen im elektrischen Lichtbogen
Es ist bekannt, durch Behandlung kohlenwasserstoffhaltiger Gase im elektrischen
Lichtbogen Acetylen herzustellen. Infolge seiner großem Reaktionsfähigkeit zerfällt
das Acetylen bei erhöhter Temperatur leicht in seine Elemente und bildet, besonders
in Berührung mit dem gebildeten Ruß, Polymerisations- und Kondensationsprodukte,
welche die Weiterverarbeitung des Acetylens sehr erschweren können. Außerdem kann
die Rußabscheidung zu empfindlichen Betriebsstörungen führen.
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Diese Übelstände sucht man dadurch zu vermeiden, daß man das mit etwa
z6oo° aus, dem Lichtbogen kommende Gas schnell auf solche Temperaturen abkühlt,
bei denen die Zerfalls- und Umwandlungsgeschwindigkeit des im Lichtbogen gebildeten
Acetylens nur noch gering ist. Zumeist geschieht dies durch z. B. mit Wasser gekühlte
Metallflächen hinter dem Lichtbogen, an welche die Ofengase ihre fühlbare Wärme
abgeben können. Der wenn auch möglicherweise in sehr geringer Menge in Form von
Ruß im Gas vorhandene, aus dem Zerfall von Kohlenwasserstoffen im Lichtbogen herrührende
Kohlenstoff setzt sich an den Kühlflächen ab, verschlechtert damit den Wärmeübergang
und ermöglicht so zufolge des Steigens der Gastemperatur die erwähnten Umwandlungen
des Acetylens. Daher ist, auch bei Vermeidung größerer Rußbildung, doch von Zeit
zu Zeit eine Stilllegung des Ofens und eine Reinigung der Kühlflächen notwendig.
Es ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem man den elektrischen Lichtbogen zur
Erzeugung von Kohlenoxyd-Wasserstoff-Gemischen aus Kohlenwasserstoffen benutzt.
Die Kohlenwasserstoffe werden hierbei mit in den Lichtbogen eingeleitetem Wasserdampf
unter Bildung von Wassergas umgesetzt. Das gleiche ist der Fall bei einem bekannten
Vorschlag, im Lichtbogen Blausäure in Gegenwart von Wasserdampf herzustellen; auch
hierbei entsteht unter entsprechend höherem Verbrauch an Kohlenwasserstoffen Wassergas
als Nebenprodukt.
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Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß man bei der Herstellung
von Acetylen im elektrischen- Lichtbogen die eingangs erwähten Nachteile, - welche
den hierbei bisher angewandten Kühlmethoden eigen sind, praktisch vollständig vermeiden
kann, wenn man die Abschreckung der Lichtbogengase durch Einspritzen einer Flüssigkeit,
z. B. von Wasser, am hinteren Ende des Lichtbogens bewirkt. So gelingt es z. B.
durch Einspritzung von verhältnismäßig wenig Wasser die Lichtbogengase in äußerst
kurzer Zeit auf weit unterhalb zoo°' abzukühlen. Durch das eingespritzte Wasser
wird weder eine nennenswerte Bildung von Kohlenoxyd und Kohlensäure,. noch eine
Verminderung der Acetylenausbeute verursacht. Dies ist um so überraschender, als
noch nach der Einspritzung des Wassers in die heißen Lichtbogengase in der Nähe
der Einspritzstelle spektroskopisch die Emission der Swanbanden und der Balmerserie
des
Wasserstoffs zu beobachten ist, was auf eine- so- hohe Temperatur schließen läßt,
daß z. B. das Eintreten der Wassergasreaktion unbedingt zu-erwarten wäre. Der Gehalt
der Lichtbogengase an Olefinen und' an Umwandlungsprodukten des Acetylens ist bei
der Abkühlung durch Wassereinspritzung in jedem Fall geringer als bei der Abkühlung
an gekühlten Wänden.
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Die eingespritzte Flüssigkeit kann zum größten Teile in einem Abscheider
gesammelt und, gegebenenfalls nach einer vorherigen Reinigung, im Kreislauf wieder
verwendet werden. Die Wiedergewinnung der von der eingespritzten Flüssigkeit, insbesondere
von Wasser, zum Teil aufgenommenen Reaktionsprodukte ist in bekannter Weise leicht
zu bewerkstelligen.
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Durch die Einspritzung des--Wassers steigt die Leistung des Lichtbogens.
Spritzt man das Wasser in einer zur Lichtbogenachse mehr oder weniger schrägen Richtung
ein, so wird der Lichtbogen auf eine größere Länge ausgezogen, was auch durch eine
bis um etwa 30 % höhere Betriebsspannung zum Ausdruck kommt.
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Die eingangs genannten, bei der Anwendung fester Kühlwände auftretenden
Übelstände werden durch das vorliegende Verfahren selbst dann noch vermieden, wenn
man wesentlich höhere Temperaturen als -ioo° im Abgase zuläßt. Neben diesen Vorteilen
bietet das neue Verfahren die Möglichkeit, den für eine Weiterverarbeitung des Acetylens
etwa nötigen Wasserdampf, z. B. für die katalytische Umwandlung von Acetylen mit
Wasserdampf zu Acetaldehyd, Aceton oder Essigsäure, in vorteilhafter Weise dadurch
zu beschaffen, daß man die Menge des eingespritzten Wassers-,und die Temperatur
des Endgases so bemißt, daß ohne weiteres ein für die Weiterverarbeitung des Acetylens
geeignetes Gas-Wasserdampf-Gemisch entsteht. Der Wärmeinhalt des auf hoher Temperatur
befindlichen Gas-Wasserdampf-Gemisches kann auch anderweitig nutzbringend verwendet
werden.
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Einen besonderen Vorteil bietet die Anwendung von Flüssigkeiten mit
hohem Siedepunkt, wobei man zweckmäßig solche wählt, die sich unbeschadet auf höhere
Temperaturen erhitzen lassen, z.B. Quecksilber. DieWärme menge, die in diesen hinter
dem Lichtbogen sich sammelnden Flüssigkeiten enthalten ist, läßt sich äußerst günstig
in beliebiger Weise technisch verwerten. Es kann so der größte Teil der Abgaswärme
regeneriert werden:.
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In der beiliegenden Zeichnung, durch die eine Ausführungsform des
Verfahrens veranschaulicht wird, bedeutet E die spannungsführende Elektrode,
B den Lichtbogen, G die Stelle, an der die als Ausgangsstoff dienenden Gase
eingeführt werden, W eine rinförmige Vorrichtung, durch welche die Flüssigkeit eingespritzt
wird, A einen Abstreifer für die Flüssigkeit, C die Gasaustrittsstelle und D die
Wasserabflußsfelle. Der Ofen istbei F geerdet.
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Daß früher vorgeschlagen worden ist, bei der Herstellung von Stickoxyden
im elektrischen Lichtbogen bei der sogenannten Luftverbrennung in den Lichtbogen
Wasser einzuspritzen, besagt nichts gegen die Eigenart dieser Maßnahme bei dem vorliegenden
Verfahren. Abgesehen davon, daß der erwähnte Vorschlag keine praktische Anwendung
gefunden hat und schon daher die Übertragung dieser Arbeitsweise auf die auf völlig
andersartigen Vorgängen beruhende Acetylenherstellung nicht nahehegend war, konnte
auch nicht vorausgesehen werden, daß die Maßnahme, bei der Herstellung von Acetylen
im elektrischen Lichtbogen zwecks Abschreckung der Lichtbogengase Flüssigkeiten
einzuspritzen, technisch' durchführbar ist, da mit empfindlichen Störungen gerechnet
werden mußte. Im Gegensatz zum Stickoxydlichtbogen mußte man bei der Einspritzung
von Wasser in den Acetylenlichtbogen annehmen, daß das Wasser zur Bildung ganz unerwünschter
ProdukteAnlaß geben würde, auch wenn die Zufuhr des Wassers am Ende des Lichtbogens
erfolgt. Insbesondere war bei den sehr hohen Temperaturen der den Lichtbogen verlassenden
Gase zu befürchten, daß zuungunsten der Bildung von Acetylen die Wassergasreaktion
in starkem Maße auftre= ten würde, wie dies ja auch tatsächlich der Fall ist bei
den eingangs erwähnten bekannten Verfahren, bei denen Kohlenwasserstoffe zusammen
mit Wasserdampf der Wirkung der Lichtbogentemperaturen ausgesetzt werden, um die
Kohlenwasserstoffe zu Kohlenoxyd-Wasserstoff-Gemischen zu zersetzen. Tatsächlich
ist jedoch bei dem vorliegenden Verfahren keine Verringerung der Acetylenausbeute
zu beobachten. Weiter mußte man im Hinblick auf die-bekannte Löslichkeit des Acetylens
in Wasser befürchten, daß ein großer Teil des gebildeten Acetylen mit dem Wasser
weggeführt würde. Der dadurch tatsächlich hervorgerufene Verlust ist indessen äußerst
gering. Beispiel Durch einen Lichtbogenofen, in dem die Lichtbogengase an wassergekühlten
Wänden abgeschreckt wurden, wurden stündlich ioo cbm eines Methan-Wasserstoff-Gemisches
mit 5o0[" Methan geleitet. Das Endgas enthielt 8,5 °[o ungesättigte - Kohlenwasserstoffe,
darunter 7 °/o Acetylen. Die Ofenleistung betrug
iao Kilowatt.
Anfangs betrug die Temperatur des abgeschreckten Gases 8o bis 9o°, sie stieg nach
einer gewissen Betriebsdauer auf 300°, wobei der Gehalt des Endgases an Acetylen
auf 6,5 °f, zurückging. Gleichzeitig hatten die Kühlwände sich mit einem
Belag von Ruß und Umwandlungsprodukten des Acetylens bedeckt. Der Ofen mußte dann
zur Reinigung der Kühlwände stillgelegt werden.
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Wurden in dem gleichen Ofen nach Entfernung der Kühlwände die Lichtbogengase
in der durch die Zeichnung veranschaulichten Weise durch Einspritzen von 3oo bis
5oo 1 Wasser pro Stunde in den Lichtbogen gekühlt, so betrug die Temperatur des
Endgases dauernd 5o bis 6o°. Die Ofenleistung betrug Iq.o Kilowatt, der Gehalt des
Endgases an ungesättigten Verbindungen 9,z °1a, an Acetylen 8,3 %.
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Das im Abscheider gesammelte Wasser-enthielt ein Gas, das Blausäure
in größerer Menge aufweist und durch Erwärmen oder Evakuieren der Flüssigkeit gewonnen
werden kann. Die Innenwände des Lichtbogenofens waren nach dem Öffnen des Ofens
vollständig rein.
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Verwendet man unter sonst gleichen Bedingungen 8o 1 Wasser pro Stunde,
so erhält man ein für die katalytische Umwandlung des Acetylens in Acetaldehyd unmittelbar
geeignetes Gas-Wasserdampf-Gemisch, das eine für die Katalyse günstige Temperatur
von 3oo° aufweist.