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Verfahren zur thermischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen Zur thermischen
Umsetzung von Kohlenwasserstofen, z. B. zur Herstellung von Acetylen aus Methan
oder zur partiellen Verbrennung von Methan zur Gewinnung von Kohlenoxyd-Wasserstoff-Gemischen,
wird der umzusetzende Kohlenwasserstoff oder das den Kohlenwasserstoff enthaltende
Gas auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und; wenn nötig, hierauf abgeschreckt.
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Die Erfindung betrifft ein billiges und mit geringem Energiebedarf
arbeitendes Verfahren zur Umsetzung solcher Gase und besteht darin, daß man das
Gas durch eine in einem gegen die Außenluft abgeschlossenen Raum mit hoher Temperatur
brennende Gasflamme hindurchschickt, deren Sauerstoffverbrauch infolge einer Zweiteilung
der Verbrennungsluft genau geregelt werden kann.
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Einen weiteren Teil der Erfindung bildet ein zur Ausübung des genannten
Verfahrens geeigneter Brenner. Dieser ist erfindungsgemäß in der Weise ausgebildet,
daß um einen mittleren, das umzusetzende Gas zuführenden Kanal, der auch mit einer
Vorrichtung zum Vorwärmen versehen sein kann, eine ringförmige, mit Heizgas und
Erstluft zu beschickende Mischkammer angeordnet ist, von welcher in der Umfläche
eines gedachten Kegels liegende Kapillardüsen bzw. eine kapillare Ringdüse, das
Heizgas-Erstluft-Gemisch vor die Ausmündung des Gaszuführungskanals bringen, wohin
auch die Zweitluft geleitet wird. Ein ,dem vorstehend beschriebenen Verfahren ähnliches
Prinzip ist aus der französischen Patentschrift 628 738 bekannt, wobei ebenfalls
umzusetzende Kohlenwasserstoffe durch eine Flamme geleitet werden. Sehr wesentlich
.unterscheidet sich nun das beschriebene Verfahren von dem des französischen Patents
durch die Erkenntnis, daß es keineswegs genügt, die umzusetzenden Kohlenwasserstoffe
durch eine Gasflamme zu leiten, sondern daß es zur Erzielung eines wirtschaftlichen
Effekts notwendig ist, den Sauerstoffbedarf der Heizflammen auf das genaueste dosieren
zu können. Dies ist nun nicht möglich dadurch, daß das Heizgas seinen Sauerstoffbedarf
selbst ansaugt bzw. dosiert zugemischt erhält, da hier, um hohe Flammentemperaturen
zu erzielen, ein Sauerstoffüberschuß unvermeidlich ist, der dann sekundär sich sofort
wieder in einer weitgehenden Vernichtung der gewünschten Reaktionsprodukte äußert.
Auf der anderen Seite führt ein Mangel an Sauerstoff zu schlecht brennenden Flammen
und niedrigen Temperaturen und so wiederum zu schlechten Ausbeuten.
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Aus dieser Erkenntnis heraus wurde bei dem vorliegenden Verfahren
eine strenge Teilung des Sauerstoffs durchgeführt, die gestattet, bei geringster
Sauerstoffzuführung wohl ausgebildete Flammen mit höchster Temperatur zu :erzielen,
dadurch, daß die aus einem :eingestellten Gemisch von Heizgas und Sauerstoff erzeugten
Flammen in einer künstliehen,
räumlich begrenzten, ebenfalls wieder
genau regelbaren Sauerstoffatmosphäre brennen. So ist es möglich, mit einem Mindestmaß
an Sauerstoff die für viele Umsetzungen benötigten hohen Temperaturen zu erzielen
bzw. den Sauerstoffbedarf der gewünschten Reaktion auf das genaueste zu regeln,
ohne daß Sauerstoffüberschuß oder -mangel die oben geschilderten Mängel verursachen
könnten.
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Eine zur Ausübung des angegebenen Verfahrens geeignete Vorrichtung,
die im Falle der Zeichnung mit einer Vorrichtung zum Abschrecken der umgesetzten,
Gase Lind zur Einstellung der Entfernung Brenner-Kühler versehen ist, im übrigen
aber dem jeweilig angestrebten Ziel entsprechend einfacher gebaut sein kann, ist
in der Zeichnung dargestellt, und zwar -neigen Fig. i die Gesamtvorrichtung in einem
gegenüber den anderen Figuren verkleinerten mittleren Höhenschnitt, Fig.2 einen
mittleren Höhenschnitt durch den Brenner in größerem Maßstabe und die Fig. 3 , bis
5 waagerechte Schnitte nach den Liniert -1-I4, B-B und C-C der Fig. 2. Die Vorrichtung
besteht aus einer gegebenenfalls wassergekühlten Brennkammer i gezeichneter Form,
in welcher der Brenner 2 und nötigenfalls oberhalb desselben ein Röhrenkühler 3
untergebracht ist (Fig. i).
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Deriaittel der Brennkammer ist gegebenenfalls doppelwandig (Fig.2)
und nimmt dann zwischen den beiden Wänden ¢, 5 das Kühlwasser auf, das durch die
Rohre ti zu-und durch diejenigen, 7, (Fig. i) abläuft. Das Kopfende der Breitnkaminer
ist schräg nach unten gerichtet, so daß längs ihrer Seitenwand Kondenswasser abfließen
kann. Am Fußende besitzt die Brennkammer einen Flansch 8 (Fig.2; zum Anschluß einer
Ringplatte 9, welche den Brenner 2 (Fig. i) und den gegebenenfalls vorhandenen Rohrkühler
3 trägt. Die Ringplatte ist mit einer mittleren Öffnung zum Einsetzen des Brennerrohres
to versehen. Durch eine dieses umgreifende Stopfbüchse i i sowie eine zwischen dem
Flansch 8 und der Ringplatte 9 befindliche Dichtungsscheibe wird die Brennkammer
i gegen außen hin gasdicht abgeschlossen. In der Seitenwand der Brennkammer 1 ist
noch, auf der Zeichnung nicht angegeben, ein Schauloch angebracht, das eine Beobachtung
der Flamme in der Kammer gestattet.
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Der Brenner selbst besteht aus einem in das erweiterte Kopfende 12
des Brennerrohres i o eingesetzten Brennerkörper 13 mit einer mittleren Bohrung
1.1, einer im Kreise um diese angeordnete Gruppe von Kanälen 15 sowie einer diese
konzentrisch umgreifenden zweiten Gruppe anderer Kanäle 16. Von den Kanälen 15 und
16 führen Rohre 17, 18 durch das Brennerrohr i o nach unten und außen. Durch einzelne
der Rohre 17 wird Erstluft (Preßluft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte
Luft), durch die anderen Heizgase (Leuchtgas, Methan usw.), durch die Rohre 18 Zweitluft
(Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft) eingeleitet. Zwischen
den beiden Kanalgruppen 15 und 16 befindet sich im Inneren des Brennerkörpers dann
noch eine Wasserkammer 19, deren Zu-bzw. Ablaufrohr mit 2o und 21 bezeichnet ist.
Durch dieses Kühlwasser wird eine übermäßige Erwärmung des Brennerkörpers vermieden.
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1n eine mit Innengewinde versehene obere Höhlung des Brennerkörpers
ist der Brennerkopf 22 eingeschraubt, der eine mittlere, in der Flucht der Bohrung
14 des Brennerkörpers 13 liegende Bohrung aufweist. Zwischen dem Brennerkörper und
dem Brennerkopf ist ein ringförmiger Mischraum 23 mit Bodenöffnungen gebildet, an
welche die Kanäle 15 anschließen. Die Kopfwand des Mischraums wird von Kapillardüsen
24 durchsetzt, welche in der Umfläche eines gedachten Kegels angeordnet sind, dessen
Spitze in der Mittelachse des Brennerkopfes liegt.
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Die oberen Enden des Brennerkörpers und -kopfes werden von einer Haube
25 umschlossen, welche auf dem Brennerkörper aufgesetzt ist und welche gegenüber
den Ausmündungen der Kapillardüsen 24 mit einer mittleren C)ffnung 26 versehen ist,
die evtl. durch ein thermisch gut isoliertes Rohr gleichen Durchmessers nach oben
verlängert sein kann. In das Innere dieser Haube münden am Rande derselben die Kanäle
16.
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In die hintereinanderli.egenden Bohrungen des Brennerkörpers und -kopfes
ist axial wer- . schiebbar und gegen die Außenluft abgedichtet das gegebenenfalls
mit einer Vorrichtung zur Vorheizung versehene, das umzusetzende Gas zur Flamme
führende Rohr 27 eingesetzt, das an seinem oberen Ende eine auswechselbare Düse
34 trägt.
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Der Rohrkühler 3 (Fig. i) besteht aus einem Kühlwasser aufnehmenden
Hohlkörper 28, welcher von den beiden dem Zu- bzw. Ablauf des Kühlwassers dienenden
Rohren 29 und 3o getragen wird. Diese an Bodenöffnungen des Hohlkörpers anschließenden
Rohre durchgreifen die obenerwähnte Ringplatte 9 und sind an ihr befestigt. Kopf
und Boden sowie das Innere des Hohlkörpers werden von den Rohren 31 durchsetzt.
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Die Wirkung ist folgende: Wie erwähnt wird durch einige der Rohre
15 Erstluft, durch die anderen Heizgas eingeleitet. Beide Gase mischen. sich in
der Kammer 23, von welcher das Gemisch durch die Düsen 24 austritt. Die Zweitluft
strömt durch die Rohre
16 unter die Haube 25 und wird durch
deren Kopfwand dem aus den Düsen 24 austretenden Heizgas-Erstluft-Gemisch zugeleitet,
welchem dadurch nach der Entzündung der zum Unterhalt der Flamme notwendige Sauerstoff
in gerade nur erforderlicher Menge zugeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht,
daß durch die Zweiteilung in genau dosierbare Mengen Erstluft und Zweitluft wohl
ausgebildete Flammen entstehen, d. h. Flammen, die trotz minimalster Sauerstoffzuführung
mit scharfem Innen- und Außenkegel brennen, so daß die angestrebten hohen Temperaturen
in der Kegelspitze erhalten werden können, welche zu einer guten Umsetzung der durch
das Rohr 27 zuzuführenden Gase nötig sind.
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Der Rohrkühler 3 (Fig. i) wird in allen denjenigen Fällen verwendet,
in denen es auf schnelle Abkühlung der erhaltenen Reaktionsprodukte ankommt.
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Das außer dem gesuchten Reaktionsprodukt bei entsprechender Sauerstoffdosierung
aus Kohlenoxyd und Wasserstoff bestehende Abgas läßt sich nach Entfernung des Reaktionsproduktes
in vielen Fällen als Heizgas leicht wieder verwenden.
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Um das Verbrennungswasser, welches sich in der Brennkammer auf dem
Boden der Ringplatte 9 ansammelt, abzuführen, wird diese von einem nach außen führenden
Rohr 32 durchsetzt.
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Beispiel i Unter Verwendung von Leuchtgas als Heizgas, Sauerstoff
als Erstluft sowie atmosphärischer Luft als Zweitluft wurde ein mit Benzin beladener
Stickstoffstrom durch die Flamme geschickt. Es wurde ein Reaktionsgas mit
8,850/0 ungesättigten Kohlenwasserstoffen erhalten. Diese Kohlenwasserstoffe
bestehen zu 9o % aus Äthylen neben Acetylen und Butadien, und zwar beträgt die Ausbeute
auf Äthylen berechnet 37 % des angewandten Benzins. Neben unzersetztem Benzin, das
durch Abkühlung leicht aus dem Reaktionsgas zu entfernen ist, findet sich ein Teil
des Ausgangsbenzins als Kohlenoxyd und Wasserstoff im Endgas, ünd durch geeignete
Wahl der Zweitluft (Sauerstoff oder angereicherter Sauerstoff) und unter Verwendung
von ebenfalls Leuchtgas als Trägergas für das Benzin lassen sich diese Gasbestandteile
auch in solchen Konzentrationen erhalten, daß sie einer weiteren praktischen Verwendung
fähig sind. Beispiel e Unter Verwendung von Methan als Heizgas, Sauerstoff als Erst-
und Zweitluft wird vorgewärmtes Methan durch die Flamme geleitet. Man 'erhält aus
einem Gas mit c02** . . . . . . . . . . . . . 0,3 0/ 0, CnHm................
o,x °/o, 0z ................... 0190/., CO .................. 0,404,
H@ ................... 3,4o/" C H4 ................. 8911 °/o, N....................
5,8010 ein Gasgemisch folgender Zusammensetzung CO................... 8,4
°1`o, CnHm............. .. 0,4°/o, O.................... . 0,I 0,'" CO
.................. 43,40/02 H` ................... 44,9 °!o, C H4
................. 0,5 ° /,3, N ' ................... 2,3 °o.