NO844314L - Lysbueomdannelsesprosess og apparat - Google Patents

Description

Det er kjent å benytte den energi som produseres av en lysbue (som tillater oppnåelse av temperaturer fra 3000 til 10000°K og høyere) for å fremme kjemiske reaksjoner som er vanskelig å utføre ved vanlige temperaturer.

Fr 1 561 404 beskriver en fremgangsmåte for krakking av væskeformige hydrokarboner i en lysbue. Denne prosess ut-føres med elektroder nedsenket i væsken og krever et apparat for hurtig rotering av en elektrode i forhold til en fiksert elektrode.

US 3 384 467 beskriver omdannelsen av kull under anvendelse av en lysbueovn. Der er ingen angivelse som er relevant når det gjelder omdannelse av væskeformige produkter.

Fremgangsmåten gir hovedsakelig hydrogen med noe metan og acetylen. Reaksjonsprodukter kan resirkuleres gjennom en passasje i katoden. Der er ingen angivelse av tilførsel av en gass som ikke hovedsakelig består av hydrogen eller av innsprøyting av kullpartikler i findelt form i lysbuen. Kullpartiklene tilføres til lysbuen som et lag ved hjelp

av en skruetransportør.

De-A-26 39 807 beskriver en hydrokarbonomdannelsesprosess under anvendelse av en lysbue i en destillasjonskolonne. Smøreolje behandles med en gass inneholdende hydrogen for oppnåelse av produkter med lavere kokepunkt. Skriftet angir at energien til lysbuen bevirker oppspalting av molekylært hydrogen til aktivt hydrogen og av hydrokarboner til radikaler som deretter kombinerer i nærheten av lysbuen for dannelse av nye, hydrogenrike forbindelser.

Det gis ingen detaljer hva angår konstruksjonen av apparatet og heller ikke nevnes det noe om at måten for innføring av hydrokarbonet og hydrogenet i lysbuen er viktig.

De 369 367 beskriver også reaksjonen av hydrokarboner og hydrogen i en lysbue. Lysbuen holdes under vann, og det gis ingen detaljer hva angår prosessens operasjonsmåte.

CH 132 904 beskriver kombinasjonen av hydrogen med hydrokarboner ved spalting av hydrogen i atomært hydrogen i en lysbue. Hydrokarbonet føres sammen med hydrogen inn i lysbuen. Den foretrukne prosess er en diskontinuerlig prosess hvori hydrogen først innføres og dissosieres, og deretter innføres hydrokarbondamp. En slik diskontinuerlig prosess er ikke kommersielt gjennomførbar.

Den konvensjonelle behandling av rå-petroleum benytter forskjellige omdannelsesprosesser som muliggjør oppnåelse av lette hydrokarboner slik som brenselolje, gassolje og bensin. For hver prosess kan man skjeldne mellom demsom utnytter virkningen av temperatur, termiske prosesser (slik som termisk reformering, termisk krakking og damp-krakking, og katalytiske prosesser slik som katalytisk krakking som kan utføres i et virvelsjikt eller hydro-krakking utført i nærvær av hydrogen.

Alle disse nå benyttede prosesser tillater ikke direkte oppnåelse av høye omdannelser til lette, mettede hydrokarboner som er væskeformige ved omgivelsestemperatur. De gir opphav til tunge rester ofte med et høyt metall-innhold. De er ikke. tilpasset til behandling av produkter som er meget rike på karbon, slik som kull eller tunge petroleumrester.

Videre, katalytiske prosesser er meget følsomme overfor urenheter slik som metaller, svovel eller nitrogen, og krever betydelig rensings- eller hydrokrakkings-behandlinger eller krever komplekse operasjoner med regenerering av katalysatoren og/eller brenning av koks i katalytiske krakkingsapparater med virvelsjikt.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er fremgangsmåten for lysbueomdannelsen av karbonholdige materialer til produkter med lavere molekylvekt kjennetegnet ved at en - tilførsel inneholdende en vesentlig andel av et C-^-C^mettet hydrokarbon bringes i kontakt med en lysbue,og en tilførsel inneholdende et karbonholdig materiale av høyere molekylvekt bringes i kontakt med en varm gass avledet fra C^-C^hydrokarbonet i nærheten av lysbuen.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse gir den fordel sammenlignet med katalytisk krakking at den ikke krever meget snevre hydrokarbonfraks joner og ikke på-virkes i uheldig retning av tilstedeværelsen av svovel fordi dette materiale omdannes ved reaksjon med hydrogen til H2S som det er lett å fjerne. Tilstedeværelsen av nitrogen har heller ingen ugunstig innvirkning på foreliggende fremgangsmåte. C-j^-C^mettet hydrokarbon antas å virke som en kilde for hydrogen. Hydrokarbonet er fortrinnsvis metan eller etan. Blandinger av C-^- C^ mettede hydrokarboner kan anvendes. Hydrogen fra en utvendig kilde kan også være til stede. Tilstedeværelsen av en liten mengde hydrokarbon øker elektrodenes levetid, spesielt katoden (ved anvendelse av likestrømsbuer). Hydrogenet blir fortrinnsvis innført i en laminær sone ved katodens varme fot. Tilstedeværelsen av en vesentlig andel hydrogen vil imidlertid øke omkostnin-gene . C-j^-C^utgjør derfor fortrinnsvis en vesentlig andel av tilførselen hvori det innføres i kontakt med lysbuen, dvs. minst 40 volum-%, fortrinnsvis minst 60 volum-%, mer foretrukket 90 volum-%.

Vanndamp kan også være til stede, men det er da ønskelig senere å eliminere eventuelt dannet CO og CO2for å unngå korrosjon.

Det karbonholdige materiale med høyere molekylvekt som omdannes til produkter med lavere molekylvekt,vil i det følgende betegnes som det karbonholdige råmateriale, og — kan være et hydrokarbonmateriale avledet fra petroleum. Det kan f. eks. inneholde hydrokarboner som har mer enn 10 karbonatomer i molekylet. Eksempler på råmaterialer som kan anvendes, er gass-olje-fraksjoner samt fraksjoner inneholdende vesentlig mer enn 20 karbonatomer i molekylet, og tyngre enn gassolje slik som de som kan oppnås fra "atmosfærisk rest" og "vakuumrest". Slike fraksjoner kan ha et gjennomsnitt på ca. 36 karbonatomer i molekylet. Fremgangsmåten kan også anvendes på fast karbonholdig materiale, f.eks. kull.

Det vil vanligvis være ønskelig å forvarme den karbonholdige tilførsel før den kommer i kontakt med lysbuen. Tilførselen blir fortrinnsvis forvarmet til en temperatur mellom 380 og 430°C, og fortrinnsvis ca. 400°C. Dersom temperaturen på den karbonholdige tilførsel er for lav, er produktene for kalde når de forlater lysbuen. I dette tilfelle ville det være nødvendig å øke temperaturen til lysbuen, hvilket ville representere en risiko for økning av dannelsen av uønsket acetylen og koks. Forvarmings-temperaturen for den karbonholdige tilførselen bør ikke overskride 430°C for å unngå begynnelsen av den betydelige termiske krakking i ovnen som fremmer dannelsen av polyaromatiske forbindelser som senere representerer en risiko for å bli omdannet til grafitt eller til koks.

Det er kjent at visko-reduksjon, en rent termisk operasjon, er begrenset til 15% i praksis, og at vanskelige problemer forbundet med dannelsen av koks oppstår i forvarmingsovnen.

Som et resultat er det fordelaktig å forbli ved den nedre grensen for naturlig krakking for å unngå de problemer som er forbundet med dannelsen av koks i ovnen og begynnelsen av dannelsen av polyaromatiske forbindelser. Videre, ved innføring av karbonholdig tilførsel i reaksjonen ved en relativt lav temperatur, er det mulig å gjenvinne varme-energien til proktene i lysbuen ved et bråkjølingstrinn for disse produkter og til det termiske sjokk for de tunge hydrokarbonene.

Det karbonholdige materiale med den høyere molekylvekten blir fortrinnsvis innsprøytet i findelt form i en gassfase som omgir lysbuen.

Det mettede C-^- C^ hydrokarbon blir fortrinnsvis innført i lysbuen på en slik måte at en gasstrøm bevirkes til å strømme parallelt med .lysbuen, og det karbonholdige materiale med den høeyere molekylvekt bringes i kontakt med lysbuen i nedstrømsretningen (i forhold til gass-strømmen) fra der C-^- C^ hydrokarbonet bringes i kontakt med lysbuen.

Lysbuen etableres fortrinnsvis mellom to aksialt for-løpende elektroder,og det mettede ci_c4hydrokarbon bringes i kontakt med lysbuen i nærheten av en elektrode,

og det karbonholdige materiale med høyere molekylvekt bringes i kontakt med lysbuen i nærheten av den andre elektroden.

Fremgangsmåten kan utføres ved bruk av en veksel-strømslysbue, men anvender fortrinnsvis en likestrøms-lysbue.

Ved bruk av en likestrømslysbue blir C-^-C^hydrokarbonet fortrinnsvis bragt i kontakt med lysbuen i nærheten av katoden.

Følgende beskrivelse er basert på den foretrukne fremgangsmåte ved bruk av en likestrømslysbue ved føring

av C-j^-C^hydrokarbonet i kontakt med lysbuen i nærheten av

katoden, men i f.eks. vekselsstrømslysbuer skal henvis-ninger til katode- og anode-lysbue forstås som henvis-ninger angående oppstrøms- og nedstrøms-elektroder (i - forhold til gasstrømmens retning).

Den hydrogenutviklende gassblanding innføres ved foten av

en varm katode-lysbue (av wolfram-typen) holdt ved forhøyet temperatur ved ionisk bombardement og styrt ved den optimale temperatur ved avkjøling.

cl-c4hydrcxkarbondampen innføres under regulert trykk for å blåse lysbuen og for å utvikle en bue som har en hastighet mellom 50 og 600 og fortrinnsvis 100 m/s, idet hastigheten er en funksjon av typen av den C-^-C^hydro-karbonholdige gass.

Hastigheten oppnås i en konvensjonell ekspansjonsdyse som

er termisk beskyttet av en gass som strømmer gjennom den og ved hjelp av vannavkjøling.

Lysbuens elektriske potensialer øker fra katoden til anoden, og de elektriske strømmene som passerer gjennom lysbuen, hever hurtig temperaturen til hele gassen som er i bevegelse oppover til 1400-1600°C i løpet av noen centi-metere for en lavspenningslysbue av størrelsesorden på 200 volt. Under den kombinerte virkning av temperaturen til temperaturen for det elektroniske bombardement, omdannelsen av hydrogenet, som utvikler seg etter hvert som blandingen akselererer og opphører i det vesentlige når den ankommer til anoden eller før anoden. Temperaturen på gassen i lysbuen reguleres fortrinnsvis slik at den generelt ikke overskrider 1800°C for å minimalisere dannelsen av for mye acetylen og for å unngå sotdannelse. Tilførselsmengdene og -hastighetene for gassen styres for

å tillate regulering av den gjennomsnittlige energi som tilføres til hvert utgangsmolekyl. Således, dersom temperaturen til detnøytrale materiale overskrider 1800°C,

er det nødvendig at kontakten for partiklene med sonen der temperaturen overskrider 1800°C, er meget kort, av størrelsesorden en brøkdel av et sekund.

Ved foten av anoden dannes det således en blanding ved forhøyet temperatur som er rik på hydrogen og på forskjellige radikaler.

Den karbonholdige tilførselen føres fortrinnsvis til anoden eller i nærheten av anoden ved hjelp av injektorer med mekanisk atomisering eller med en forstøver assistert ved innsprøying av lett gass, fortrinnsvis butan eller propan som deretter deltar i polymerisasjonsreaksjoner med CH2-radikaler. Dampassistert atomisering minimaliserer uønskede grafittiske avsetninger ved foten av lysbuen.

Denne gassinjeksjon tjener både til å skille den varme gassen fra anoden og til å bevirke at den stiger over anoden.

Injeksjonen utføres fortrinnsvis under et trykk av størrelsesorden 10 bar for å oppnå meget fine, forstøvede stråler med høy kinetisk energi inneholdende dråper med en diameter mellom noen my m og noen tiendedels millimeter,

på en slik måte at fordampningstiden er av en størrelse tilsvarende levetiden for de radikaler som forlater lysbuen og er avledet fra det mettede C^- C^ hydrokarbon, og på en slik måte at diffusjonstiden tilsvarer rekombinasjonstiden med de andre radikalene. Denne nyttige levetid er av størrelsesorden l/l00s under de benyttede betingelser. Innsprøytingen bør utføres innen korte avstander. Innsprøytingen bryter strålen til buen og til postbuen, enten på selve anoden, eller mot den bakre del av anoden, eller på ledeplater som tillater en effek-tiv innføring av de tunge forstøvede produktene som etter trykkutløsning delvis er i væskefasen og delvis i dampfasen.

Det kan være ønskelig å anordne injektorene slik at materialet som innføres gjennom injektorene, har en avlang bane eksponert for UV-stråling fra lysbuen før det kommer . i nærheten av lysbuen.

For å fremme blanding og turbulens blir innsprøytingen av den karbonholdige tilførsel fordelaktig foretatt i motsatt retning til gassens bevegelsesretning i lysbuen, ved hjelp av injektorer plassert ved enden av anoden, for oppnåelse av større kraft. Ifølge en annen utførelse innbefatter en sylindrisk hulanode som omgir enden av lysbuen, anordninger for innsprøyting av tunge hydrokarboner ved grensen for fordampning inn i lysbuens akse og i motsatt retning til sistnevnte. Dette arrangement har fordelen at det reduserer erosjonen av anoden og fremmer produktenes indre blanding.

Man har erkjent at under visse forhold vil den karbonholdige tilførsel som passerer nær lysbuen eller i meget varme soner, krakkes og skape grafittisk ledende vekst som kan eroderes kjemisk ved regulert oksydasjon. Dette muliggjør grafittelektroder som nesten er ikke-forbrukbare.

For å øke prosessens effektivitet blir oppholdstiden for den karbonholdige tilførsel ved foten av anoden øket, og som et resultat kontakten med ionene, idet innsprøytingen av karbonholdige tilførsler fortrinnsvis foretas tangentielt eller på skrå. Økningen av turbulens kan også oppnås ved å bevirke at lysbuen roterer ved hjelp av forskjellige anordninger, spesielt magnetiske anordninger, og også ved hjelp av pneumatiske anordninger. Denne rotasjon utføres fortrinnsvis i den omvendte retning til bevegelsen av den karbonholdige tilførsel som innføres tangentielt.

Innsprøytningen av den karbonholdige tilførsel foretas ved

en slik hastighet at den maksimale økning i temperaturen til dråpene som frigjør gass, ikke overskrider 800°C, og _ hvilket unngår en for lang oppholdstid over 600-700°C. Temperaturer av størrelsesorden 600°C er foretrukket. Meget tunge aromatiske rester kan behandles i reaktoren ved en mer forhøyet temperatur og introdusere en virvel-strøm som omgir lysbuen ved å ramme den temperatur-regulerte sonen ved foten av lysbuen ved anoden, på en slik måte at de krakkes og hydrogeneres på voldsom måte. Dette leder ikke desto mindre til et høyere forbruk av hydrogen.

Førstegenerasjonsproduktene som er rike på nafteniske eller parafiniske stoffer, kan introduseres i en termisk bråkjøling ved utgangen av lysbuen for at de lettere skal krakkes.

Den karbonholdige tilførsel tar fra lysbuen, under begynnelsen av dens bevegelse mot foten av anoden, stråling som er rik på ultrafiolett stråling, hvilken er gunstig når det gjelder preaktivering, og kommer deretter til den nedre delen av lysbuen hvor den kolliderer med de varme gassene. Den karbonholdige tilførsel krakkes deretter hurtig på begrenset måte i flere fragmenter, fortrinnsvis fra 2 til 4, ved valg av operas jonsenergi-betingelser som nevnt ovenfor. Kull gjennomgår en flammepyroplyse.

Det er meget ønskelig å skape en høyhastighets-gass-barriere mellom lysbuen og de væskeformige små dråpene på

en slik måte at man unngår dannelsen av en kokskanal som omgir lysbuen.

Disse tunge radikalene som er mer eller mindre varme og ikke i termisk likevekt med det omgivende miljø, kolliderer med CH2~og etylenradikaler. Nyttig polymerisasjon finner sted, eller i løpet av kollisjonene med hydrogen, hvilket forårsaker hydrogenering som leder til mettede<C>4<-c>18roellområde-hydrokarboner. Disse reaksjoner foregår i et temperaturområde på 450-850°C og fortrinnsvis mot en temperatur for de tunge produkter mellom 600 og 700°C, fordeltig mellom 600 og 650°C.

Ved slutten av reaksjonen når man nærmer seg termisk likevekt og eventuelt etter innsprøyting av tunge produkter i form av en bråkjøling, passerer produktene inn i en reaksjonssone mellom 550 og 450°C, hvilket fremmer polymerisasjonsreaksjoner av lette hydrokarboner seg imellom med hydrogenering i begynnelsen av tilsetningen av olifiniske hydrokarboner til de mettede hydrokarbonene, hvilket gir de mettede middel-hydrokarbonene.

Andre reaksjoner enn de som er nevnt ovenfor, kan også finne sted. Reaksjonene som foregår i reaktoren, er virke-lig meget komplekse og temmelig innbyrdes avhengig av hverandre. De styres alle av den dynamiske viskositeten til produktene i turbulent strøm både i væske- og i gassfasen, idet de tunge produktene innsprøytes i reaksjonen ved grensen for likevekt mellom disse to faser. Det er hensiktsmessig å velge en dynamisk viskositet som er så lav som mulig i overensstemmelse med temperaturen. Videre gir forstøvning en god overflatekontakt mellom forskjellige produkter og elementer som deltar i reaksjonen.

Et annet viktig punkt i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen angår de energier som settes i operasjon.

Funksjoneringen av reaktoren ifølge oppfinnelsen er slik

at den gjennomsnittlige energi som tilføres til molekylene, er mellom bruddenergien for H-C-bindingene og C-C-bindingene (mellom 4,3 og 3,7 ev) og det dielektriske sammenbrudd (0,1-0,3 ev). Takket være det lave ioniseringsnivå som oppnås i lysbuen ved en relativt lav

elektrontetthet, forblir den energi som skal til for å ut-føre reaksjonen, lav. Den er i størrelsesorden 1,5-5, og fortrinnsvis 2-3 ev (elektronvolt) pr. molekyl i lysbuen, over dette nivå utvikles sot.

Det lave ioniseringsnivået er et nivå under 5%, og er fortrinnsvis av størrelsesorden en del pr. tusen. Dette fremmer dannelsen av nøytrale forbindelser og radikaler samt dannelsen av nascerende hydrogen istedenfor ioniserte forbindelser.

Lysbuen anvendes for å redusere aktiveringsenergien til de kjemiske reaksjoner i et svakt ionisert medium, hvilket er gunstig for dannelsen av aktive, nøytrale elementer som krever regulering av kontakttiden i området fra et hundre-dels til et tusendedels sekund. Lysbuen tilveiebringes fortrinnsvis av en kontinuerlig strøm for å lette regulering og stabilitet som forbedres ved en stor utglattende selvinduktans som skaper en stabiliserende elektromotorisk motspenning som motsetter seg variasjoner i strømmen. Med vekselstrøm er denne selvinduktans nødvendig for å defi-nere strømmen og for å stabilisere egenskapene til nega-tive lysbuer.

Anoden består av et konvensjonelt metall avkjølt med vann eller av et tungtsmeltelig materiale av molybden-, wolfram- eller wolframkarbidtypen, eller er et kompositt-materiale. For å øke lysbuens intensitet og ganodens levetid, er den sistnevnte fortrinnsvis et kompositt-produkt, dvs. det består av et første materiale som er motstandsdyktig overfor varme, en god leder for elektrisitet med høyt smeltepunkt og lavt damptrykk og med fortrinnsvis en god sekundær termisk ionemisjon, omgitt av et annet materiale, i det følgende betegnet "bindemiddel" som er en meget god leder for varme og elektrisitet, har et lavt damptrykk og er meget tett og tungt. Kompositt-anoder i toriumtilsatt wolfram i et kobberbindemiddel er foretrukket. Ifølge en enkel måte å utføre reaksjonen på, for lave effekter, f.eks. 200-600 amper, består anoden av en stav av toriumtilsatt wolfram med 2% torium, i et kobberbindemiddel.

Ifølge en annen utførelse er flere tynnere tråder eller staver av toriumtilsatt wolfram omgitt av et kobberbindemiddel.

Ifølge en annen variant kan anoden bestå av en hul leder inneholdende et smeltet metall (jern, støpejern eller kobber). For høye effekter er det ønskelig å øke motstandsevnen til anoden overfor varme. I dette tilfelle kan den teknikk som betegnes "transpirasjon",med fordel anvendes. Denne teknikk består i fordampning av en væske (som kan være vann eller selve hydrokarbonet) ved anodens overflate hvilket har det resultat at anoden avkjøles og dekkes med en kald film. En kald gass kan alternativt føres til anodens overflate.

For utførelse av denne transpirasjonsteknikk er det fordelaktig å benytte en porøs, sintret anode, f.eks. sintret wolfram, bundet med et egnet bindemiddel som kan være kobber, kobolt eller et lignende metall som vil tillate passasje av kjølevæsken eller -gassen. En anode-variant som er brukbar for transpirasjonsteknikken, kan være en toriumtilsatt wolfram/kobber-komposittanode hvor kobberdelen er gjennomhuller.

Formålet med anoden er å ekstrahere de sterkt mobile elektrodene i lysbuen, elektroner som har blitt utstøtt fra katoden av den termoelektroniske effekt; deretter under innvirkning av det elektriske felt langs deres passasje gjennom lysbuemolekylene har bombardert atomer eller radikaler som var i deres bane, som stengte deres vei, enten ved å ødelegge dem, eller ved å overføre energi ved støt.

Lengden av buen er en funksjon av den påsatte spenning og

av trykket. Gasshastigheten er også begrenset av spen-ningen og intensiteten til buen.

Den hastighet ved hvilken den ekspanderte gass forlater dysen pålegger ionene en bestemt bane, takket være deres kinetiske energi og deres treghet som gir buen en bemerkelsesverdig stabilitet.

Dette har den fordel at nødvendigheten for tilflukt til komplekse stabiliseringsanordninger unødvendiggjøres, spesielt magnetiske anordninger, som ville måtte anbringes i innsprøytningssonen for de tunge produktene, hvilken sone allerede er temmelig belesset.

Forholdet buelengde:hastighet bestemmer den totale reaksjonstid for omdannelse av den hydrogenutviklende gassblanding til nyttig produkt, spesielt atomært eller molekylært hydrogen; denne tid er av størrelsesorden 1 millisekund. Den innstilles i overensstemmelse med de angitte atomiseringskriterier.

Dysens tverrsnitt som bestemmer tilførselshastigheten for den hydrogenutviklende gassblanding,bestemmer også den elektriske effekt for den nominelle tilførselshastighet.

Styringsmekanismene innbefatter:

Påvirkning av frigjøringsnivået i dysen for å regulere tilførselshastigheten,

påvirkning av lysbuens hastighet for å regulere reaksjons-tidene .

Som eksempel, med reaktorer med lav effekt (80 A, 150 V) vil man arbeide med en bue på 7-10 cm med tilførsels-hastigheter av størrelsesorden 0,25 kmol s/h av lett gass. Fallet i katodespenning er av størrelsesorden 30 V og fallet i anodespenning ca. 20 V, med et felt av størrelsesorden 10 V/cm. Lange buer gjør at det elektriske utbyttet forøkes.

Som angitt ovenfor kan de tunge hydrokarbonene erstattes med kullpulver, ikke for å fremstille acetylen, hvilket er kjent, men for å utvinne de lettere bestanddelene som inneholdes i kullet ved flytendegjøring av det sistnevnte materiale etter en pseudo-pyrolyse og hydrogenering. I dette tilfelle innføres kullet i findelt form istedenfor de tunge hydrokarbonene, eller dispergeres i væskefasen med hydrokarbonet.

Oppholdstiden i reaksjonen er av størrelsesorden fra 1 sekund til flere sekunder og avhenger av omdannelsesnivået, dvs. den relative tilførselshastighet av tunge produkter som innføres i forhold til den hydrogen-utviklende gassblanding.

Produktene føres deretter til en destillasjonsenhet (atmosfæretrykk eller svakt overtrykk). Etter destillasjonen oppnås gassolje, tung bensin og lettere produkter som igjen separeres i lett bensin og i C1-C4gassformige hydrokarboner. De sistnevnte returneres til ekspansjons-dysen for å blandes med de mettede ci~ c4 hydrokarbonene.

De tunge produktene av typen atmosfærisk rest som har mer enn 18 karbonatomer pr. molekyl, resirkuleres med den karbonholdige tilførselen som benyttes som utgangs-materialer.

De sistnevnte kan utgjøres av rester som resulterer fra destillasjonen ved atmosfæretrykk av rå-petroleum med generelt høye fraksjoneringstemperaturer, fra vakuum-rester, som kan være varme materialer som kommer direkte fra vakuumdestillasjonen eller blandinger av slike destil-later eller kan være kalde materialer. Som angitt ovenfor blir kulltilførslene forvarmet før de innføres i reaktoren i en ovn som hever dem til en temperatur på 380-430°C, fortrinnsvis til ca. 400°C.

Ifølge et ytterligere trekk ved foreliggende oppfinnelse innbefatter en lysbuereaktor egnet for omdannelse av karbonholdige tilførsler til produkter med lavere molekylvekt,

(a) et avlangt reaksjonskammer,

(b) en første elektrode anordnet tilstøtende en ende av kammeret, (c) en annen elektrode anbragt aksialt i avstand fra den første elektroden slik at den kan tilveiebringe en aksialt forløpende bue mellom dem, (d) anordninger for innføring av gass i kammeret i nærheten av den første elektroden for derved å bevirke en gasstrøm langs kammeret, (e) anordninger for innsprøyting av findelt materiale i kammeret arrangert på en slik måte at det innsprøytede materialet vil treffe lysbuen i nærheten av den andre elektroden, (f) en blandingssone i nedstrømsretningen fra den andre elektroden, (g) anordninger for fjerning av produkter fra kammeret i nedstrømsretningen fra blandesonen.

Oppfinnelsen illustreres ved hjelp av tegningene.

Fig. 1 representerer et skjematisk diagram av omdannelses-anlegget. Fig. 22 representerer et vertikalt aksialt snitt av den elektriske reaktoren. Fig.. 3 representerer et snitt gjennom A-A i den elektriske reaktoren. Under henvisning til fig. 1 ankommer den karbonholdige tilførselen gjennom røret 1 idet den paserer varmeveksleren 2 og deretter den termiske ovn 3, hvorfra materialet utgår ved en temperatur mellom 380 og 430°C. Tilførselen kommer til injektorene 4 hvor det innsprøytes

i reaktoren 5 som er forsynt med en katode 6c og en anode 6a mellom hvilke det er tilveiebragt en lysbue 7. Det mettede C-^-C^hydrokarbon innføres ved hjelp av dysen 8.

Ifølge en variant blir en del av den karbonholdige til-førselen som forlater den termiske ovn 3 og fortrinnsvis i dampfasen, rettet ved hjelp av 4a mot anodens basis hvorfra det stiger langs lengden av sistnevnte for å separere den varme gass som kommer fra katoden for å nedsette erosjonen av anoden og for å sikre effektiv blanding.

Etter omdannelse går produktene ut via røret 9 som leder dem inn i et destillasjonsapparat 10 operert ved atmosfæretrykk eller svakt overtrykk, og hvorfra destillasjonsresten fjernes gjennom røret 11 og de tunge hydrokarbonene som har mer enn 18 karbonatomer pr. molekyl resirkuleres gjennom røret 12 til injektor 4.

Ifølge en variant blir de tunge resirkulerte hydrokarbonene ført gjennom røret 12a mot anodens basis og stiger langs den sistnevnte og bidrar derved til å separere de varme gassene som kommer fra katoden.

Destillasjonsapparatet 10 (destillasjonstårn av asmosfære-typen) separerer gassoljen som passerer gjennom røret 13,

og den tunge bensinen som passerer gjennom røret 14. De lettere produktene ekstraheres ved hjelp av pumpen 15 og føres til trykk-destillasjonsapparatet 16 hvor de separeres i lett bensin som passerer gjennomrøret 17 og et gassformig produkt som komprimeres i en kompressor 18 og resirkuleres gjennom røret 19 til dyser 8. Den elektriske tilførsel til reaktoren representeres av generatoren 20.

En spyleinnretning 21 sørger for at apparatet 16 kan spyles.

Fig. 2 viser arrangementet med den elektrisk forsynte reaktor 5 som innbefatter:

(a) en første sone I ved høy temperatur omfattende en katode 6c og en anode 6a som definerer en vesentlig sylindrisk og aksiel lysbue 7, anordninger for innføring av den karbonholdige tilførsel (injektorer 4) anordnet i injektorbærere 21 og anordninger for innføring av en hydrogenutviklende gassblanding (dyse 8); (b) en annen reaksjonssone II med meget hurtige elementer langt fra likevekt, ved intermediær temperatur, hvor følgende finner sted: Blanding av tunge, karbonholdige produkter som skal krakkes, som ankommer ved en temperatur på ca. 430°C og av lette, varme produkter som er rike på hydrogen; plutselig oppvarming av de tunge, karbonholdige produktene og regulert krakking av de tunge hydrokarbonene, en endoterm operasjon, anvendelse av radikalene som forlater lysbuen ved begynnelsen av hydrogenering av polymerisasjon; (c) en tredje sone III med modning av kvasitermisk utvikling ifølge langsommere reaksjoner; i denne sonen med lavere temperatur foregår reaksjonen av lette, olefiniske hydrokarboner med de mettede, lette hydrokarbonene og slutten av hydrogeneringen, hvilket leder til mettet hydrokarbon i mellomområdet.

Sonene II og III er termisk isolerte ved hjelp av ubevegelig gass som er innestengt i rør som har til hensikt å redusere ledning og ved hjelp av en ring med liten diameter av porøst isolerende materiale slik som aluminiumoksyd, silisiumdioksyd, zirkoniumoksyd for å absorbere strålingen (spesielt infrarød stråling).

Disse sonene er også avkjølt ved sirkulasjon av en kjølevæske, fortrinnsvis vann 23. Kjølevæsken kommer inn ved 24 og går ut ved 25. —

Fig. 3 viser et snitt av reaktoren 5 som ifølge en fordelaktig utførelse omfatter seks injektorbærere 21 forsynt med injektorer 4 (hvorav bare to er vist) som sørger for den tangentiale innsprøyting av det tunge, karbonholdige produkt.

Den nedre delen av reaktoren kan være forsynt med ledeplater 26 beregnet for homogenisering av produktene under oppholdet av gassen i sone III i reaktoren.

Temperaturene avtar ovenfra og nedover i reaktoren. I den øvre sonen I er temperaturen under 1800°C og over 850°C. I den midtre delen av reaktoren som utgjør sonen II, er temperaturen, som er meget heterogen ved nivået for molekylene og dråpene, 450-850°C og fortrinnsvis 550-850°C. I den nedre delen som utgjør sone III er temperaturen 350-550°C og fortrinnsvis 450-550°C.

Den nedre delen av sone II og III kan om ønsket holdes ved lavere temperaturer ved innsprøyting av tunge, karbonholdige produkter i form av bråkjøling eller ved resirkulering av C3- og C^-hydrokarboner eller bensin, under betingelser som fremmer addisjonsreaksjoner og/eller polymerisas jon.

I sone I dannes hydrogen, lette radikaler og etylen avledet fra den C-^-C^alifatiske hydrokarbondamp og som deltar i hydrogeneringsreaksjonene i sone II og polymeriseringsreaksjonene i sone III.

De forskjellige reaksjonene som foregår i de tre sonene I,

II og III, er komplekse.

Polymerisasjon kan om ønsket finne sted i en ovn eller sekundær reaktor plassert ved utgangen av lysbuereaktoren.

Anordningen for produksjon av den mettede C-^-C^hydro-karbondampen er fordelaktig en ekspansjonsdyse (nivå ca. 1,1) som kan innføre den hydrogenutviklende gassblandingen i nærheten av enden av katoden og bevirke en partiell blåsing av lysbuen.

Flere injektorer, fortrinnsvis seks, er anordnet ved peri-ferien for den tredje sonen i skråstilte og tangentielle retninger slik at de innsprøytede produktene (tunge hydrokarboner eller kull) kan nå lysbuens sone i nærheten av anoden. Skråstillingen av injektorene kan modifiseres,

og injektorene kan gis forskjellige skråstillinger for innsprøyting av tunge, karbonholdige produkter av for-skjellig natur.

Den nedre sonen (sone III) i reaktoren er fordelaktig utstyrt med ledeplater som tillater forlengelse av oppholdstiden for produktene i reaktoren.

Anoden, sonene II og III, er fordelaktig isolert termisk ved hjelp av stasjonær gass innestengt i rør samt ved hjelp av et tynt lag av ildfast, partikkelformig, porøst materiale slik som aluminiumoksyd, silisiumdioksyd, zirkoniumoksyd er beregnet for å absorbere stråling.

Sonene II og III er i tillegg avkjølt ved sirkulasjon av

et flytende kjølemiddel. Dette flytende kjølemiddel er fortrinnsvis vann for at man skal kunne benytte et mindre kostbart materiale (stål eller karbon). Oppfinnelsen har også som formål et omdannelsesapparat omfattende i tillegg til lysbuereaktoren en forvarmingsovn for den tunge karbonholdige tilførselen anordnet i oppstrømsretningen fra reaktoren, eventuelt en polymerisasjonsovn i

nedstrømsretningen fra reaktoren, anordninger for inn-føring av en karbonholdig tilførsel i form av en væske inn i reaktoren umiddelbart i nedstrømsretningen av den andre sonen for å bevirke en bråkjøling; anordninger for destillasjon under atmosfæretrykk eller svake overtrykk av produkter oppnådd fra reaktoren for å separere dem i gass-olje, tung bensin, lett bensin og gassformige produkter;

anordninger for destillasjon av lette produkter under trykk for å separere dem i lett gass og gassformige produkter;

anordninger for resirkulering til injektorene av de meget tunge produktene oppnådd fra den atmosfæriske destillasjon, og anordninger for resirkulering av lette gasser til tilførselsdysene. Som eksempel vil et apparat som kan behandle 235 tonn/time av atmosfærisk rest,kreve et batteri av seks reaktorer på 10-15 MV, vil forbruke 18 tonn/time av naturgass, og vil omdanne 85% av den atmosfæriske rest til gass-olje (47%) og til bensiner (33%) med en begrenset produksjon av gass som er rik på hydrokarboner med 3 og 4 karbonatomer, idet denne gass resirkuleres. Varmeforbruket til ovnen for forvarming av kulltilførselen vil være av størrelsesorden 4,7 tonn/time.

Oppfinnelsen vil nå ytterligere bli illustrert under henvisning til følgende eksempler.

I alle disse eksemplene ble likestrømsbuer benyttet med elektrode 6a som katoden.

Eksempel 1

Dette viser behandling av lett gassolje med hydrogen ved

en lav omdannelseshastighet. Råmaterialet som ble innført gjennom injektorer 4 i apparatet på fig. 1, var en lett

gassolje med et forhold for hydrogen til karbon på 1.813:1. TBP-kurven er gitt på fig. 4. Den hydrogen-utviklende gass var metan. Argon ble benyttet som et for- - tynningsmiddel. Prosessen ble foretatt uten resirkulering av produkter.

Driftsbetingelsene var:

De oppnådde produkter var:

Væske

Lett gassolje med en total kokepunktskurve under den for gassolje-tilførselen.

Metanfikseringen basert på væskeformig råmateriale var 44 vekt-%.

Det ble utført forsøk med sone III holdt ved forskjellige temperaturer, og den prosentvise omdannelse tilprodukter som hadde mindre enn 21 karbonatomer imolekylet, ble bestemt.

Resultatene er vist på fig. 5.

Eksempel 3

Dette eksempel viser den totale forgasning av tunge hydrokarboner .

Råmaterialet som ble innsprøytet gjennom injektorene 4 var<c>12~c16n-parafiner.

Den hydrogenutviklende gass var en blanding av metan og hydrogen.

Operasjonsbetingelsene var:

Prosessen ble foretatt uten resirkulering.

Produkter

Væsker: Ingen

Faste stoffer: Sotdannelse p.g.a. høye omdannelses-betingelser

Gass: 30,3 m /h (normal temperatur og trykk)

Disse eksempler demonstrerer prosessens fleksibilitet.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for lysbueomdannelse av karbonholdige materialer til produkter med lavere molekylvekt, karakterisert ved at en tilførsel inneholdende en vesentlig andel av et mettet C-^- C^ hydrokarbon bringes i kontakt med en lysbue og en tilførsel inneholdende karbonholdig materiale av høyere molekylvekt bringes i kontakt med varm gass avledet fra det mettede cl~ c4 hydrokarbon i nærheten av buen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det mettede C-^ -C^ hydrokarbon er metan.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det karbonholdige materiale av høyere molekylvekt omfatter hydrokarboner som har mer enn 10 karbonatomer i molekylet.

4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det karbonholdige materialet av høyere molekylvekt omfatter kull.

5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det karbonholdige materiale av høyere molekylvekt inn-sprøytes i findelt form dispergert i en gassfase som omgir buen.

6. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det mettede C^ -C^ hydrokarbon innføres i buen for derved å bevirke at en gasstrøm strømmer parallelt med buen, og at det karbonholdige materiale av høyere molekylvekt bringes i kontakt med buen i nedstrømsretningen (i forhold til gasstrømmen) fra der C1~ C4 hydrokarbonet bringes i kontakt med buen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at buen opprettes mellom to aksialt forløpende elektroder anordnet på en felles akse, og at det mettede ci~ c4 hydrokarbon bringes i kontakt med buen i nærheten av en elektrode, og at det karbonholdige materiale av høyere molekylvekt bringes i kontakt med buen i nærheten av den andre elektroden.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at buen er en like-strømsbue, og at det mettede C-^-C^ hydrokarbon bringes i kontakt med buen i nærheten av katoden.

9. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-8, karakterisert ved at det karbonholdige materiale av høyere molekylvekt forvarmes til en temperatur mellom 380 og 430°C, og deretter inn-sprøytes under trykk i finforstøvet form, idet diameteren på partikkeldråpene varierer fra noen my m til tiendedeler av millimeter.

10. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-9, karakterisert ved at den karbonholdige tilførselen innsprøytes på skrå i en vinkel som skråner i forhold til retningen av buen og tangetielt i forhold til sistnevnte.

11. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av kravene 1-10, karakterisert ved at den resulterende blanding ved reaktorens utløp underkastes en eller flere destillasjoner som destillerer gassoljer og bensiner fra tunge produkter som har mer enn 18 karbonatomer, og fra rester og lette gassformige hydrokarboner, idet de sistnevnte totalt eller delvis resirkuleres med en hydrogenutviklende gassblanding, og at hydrokarbonene som har mer enn 18 karbonatomer, resirkuleres med de tunge karbonholdige produktene som tjener som råmaterialer.

12. Lysbuereaktor, karakterisert ved at den innbefatter (a) et avlangt reaksjonskammer; (b) en første elektrode anordnet tilstøtende til en ende av kammeret for derved å tilveiebringe en aksialt forløpende bue med en (c) annen elektrode anordnet aksialt i avstand fra den første; (d) anordninger for innføring av gass i kammeret i nærheten av den første elektroden for derved å bevirke en gasstrøm langs kammeret; (e) anordninger for innsprøyting av findelt materiale i kammeret anordnet på en slik måte at det innsprøytede materiale vil treffe buen i nærheten av den andre elektroden; (f) en blandesone i nedstrømsretningen fra den andre elektroden; (g) anordninger for fjerning av produkter fra kammeret i nedstrømsretningen fra blandesonen.

13. Reaktor ifølge krav 12, karakterisert ved at reaktoren er utstyrt med termisk isolasjon og materialet som absorberer infrarød stråling i en sone som omgir den aksialt forløpende andre elektroden, og i en sone i nedstrøms-retningen fra den aksielt forløpende andre elektrode.

14. Reaktor ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at injektorene er anordnet slik at materialet som innføres gjennom injektorene,har en avlang bane eksponert for UV-stråling fra buen før det kommer til nærheten av buen.

15. Reaktor ifølge krav 14, karakterisert ved at anordningene for innsprøyting av findelt materiale omfatter flere injektorer anordnet slik at materialet fra injektorene følger en bane som er skråstilt i forhold til elektrodenes akse og også er tangentiell til diameteren for buen som er opprettet mellom elektrodene.

16. Reaktor ifølge hvilket som helst av kravene 12-15,, karakterisert ved at anordningene for innføring av gass er innrettet slik at lysbuen delvis blåses for derved å oppnå en hydrodynamisk stabilisering derav.