DE1468161A1

DE1468161A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens

Info

Publication number: DE1468161A1
Application number: DE19641468161
Authority: DE
Inventors: Stephan Dipl-Ing Hans-Werner; Heinrich Kallrath; Gehrmann Dr Klaus; Sennewald Dr Kurt; Bender Dipl-Ing Ludwig; Guenter Peantek; Erich Schallus; Dipl-Ing Strie
Original assignee: Knapsack AG
Current assignee: Knapsack AG
Priority date: 1964-08-11
Filing date: 1964-08-11
Publication date: 1969-05-29
Also published as: US3377402A; CH478219A; AT255384B; BE668153A; NL6510406A; SE304990B; US3515519A; NO115251B; GB1106658A

Description

Neue Unterlagen {Art.7 i I Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Anderungsgs«.

KNAPSAGK AKTIENGESELLSCHAFT 1468161

Knapsack bei Köln

K 518 Aktenzeichen P H 68 161. 9

Verfahren undVorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Wasserstoff, der in Teilströmen in eine Lichtbogenbrennzone eingeführt, dort erhitzt und in eine von der Lichtbogenbrennzone räumlich getrennte, sich aber unmittelbar an sie anschließende Reaktionszone eingebracht wird.

Es ist eine Anzahl von Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens bereits bekannt geworden. So wird zum Beispiel bei den in den deutschen Patentschriften 806.455 und 871.001 beschriebenen Verfahren flüssiger Ausgangskohlenwasserstoff durch die Lichtbogenstrecke getrieben, wobei in diese gleichzeitig Wasserstoff eingeblasen beziehungsweise eine wasserstoffhaltige oder eine inerte Atmosphäre im Reaktionsraum aufrecht erhalten wird. Hierbei entstehen jedoch große Mengen von Nebenprodukten, die die Ausbeute mindern, vor allem ist der Anfall an Ruß erheblich.

In der deutschen Patentschrift 587 129 sind ein Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Bei diesem Verfahren wird durch einen Lichtbogen, der von zwei einander gegenüberstehend angeordneten und hohl ausgebildeten Elektroden geführt wird, Wasserstoff geschickt, der in die eine Elektrode eingeführt wird und sie am Lichtbogenfußpunkt durch eine öffnung verläßt. Nach Durchlaufen des Lichtbogens tritt der erhitzte Wasserstoff durch eine öffnung der anderen Elektrode in letztere ein. Gleichzeitig wird am oberen Ende des Spaltofens flüssiger Kohlenwasserstoff einge-

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leitet, der an der Innenwand des Spaltofens herunterfließt und dadurch in der Lichtbogenbrennzone von dem Liohfbogen und dem erhitzten Wasserstoff aufgeheizt wird.

Da die Berührungsfläche zwischen dem erhitzten Wasserstoff und dem aufzuheizenden Kohlenwasserstoff relativ klein und deren Berührungszeit reoht kurz sind, läßt der Wärmeübergängen dem heißen Wasserstoff zu dem Kohlenwasserstoff zu wünschen übrig.Daraus folgt, daß der Wasserstoff den Reaktionsraum sohon verläßt, bevor er seine Wärme an den Kohlenwasserstoff abgeben konnte, so daß dieses Verfahren nur mit einem niedrigen Wirkungsgrad zu betreiben ist. Auch kommt der Kohlenwasserstoff dem Lichtbogen sehr nahe, so daß eine unmittelbare Berührung zwischen Kohlenwasserstoff und Lichtbogen zu befürchten ist. Demzufolge kann sich Kohlenstoff bilden, der sich als Ruß in dem Kohlenwasserstoff verteilt oder sich als Koks an den Elektroden ablagert, woduroh die Ausbeute an Acetylen und Äthylen stark beeinträchtigt wird.

Bei dem Verfahren naoh der deutschen Patentschrift 1 064 945 werden Kohlenwasserstoff und Verbrennungsgase gleichzeitig in einen Verbrennungsraum geleitet, wo durch partielle Verbrennung des Kohlenwasserstoffs die zu seiner Spaltung notwendige Wärme erzeugt wird. TJm Kohlenstoffablagerungen an der Wandung des Verbrennungsräume s zu vermeiden, wird die Wandung mit Wasser bespül·*:. Dabei muß dafür Sorge getragen werden, daß das Spülwasser in hinreichend großen Mengen und mit hoher Geschwindigkeit entlang der: ''ar.dung des Verbrennungtaumes fließt, um ein Verdampfen des Wassers zu verhindern.

Es ist weiterhin bekannt, einen rotierenden, dünnt::, j . stetig erneuernden PiIm des flüssigen Ausgangskohlenwasserstoi^s gleichzeitig der Einwirkung von im elektrischen Lichtbogen erhitzern Wasserstoff und der Strahlung des gleichen Lichtbogens auszusetzen. Bei einem anderen bekannten Verfahren der einleitend genannten Art wird der in der Lichtbogenbrennzone erhitzte Wasserstoff in der auf diese folgenden Reaktionsione mit dem gas- oder dampfförmigen Auegangskohlenwaeseretoff zusammengebracht, der am entfernt liegenden Ende der Reaktioneaone tangential eingeführt und in einer

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Schraubenbewegung an der Wandung der Reaktionszone entlang dem erhitzten Wasserstoff zunächst entgegenströmt, worauf am anderen Ende der Reaktionszone das Reaktionsgemisch seine Bewegungsrichtung umkehrt und entlang der Mittelachse der rotationsBymmetrisehen Reaktionszone mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit in die Nachreaktionszone einströmt und schließlich abgeschreckt wird. Der Wasserstoff wird hierbei in der Weise eingebracht, daß ein erster Teilstrom am oberen Rande der Lichtbogenbrennzone tangential in diese und weitere Teilströme, die Elektroden gleichmäßig umhüllend und längs derselben, in die Lichtbogenbrennzone eingeführt werden. Von dieser Art der Einführung und Erhitzung des Wasserstoffs wird auch bei der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht.

Die vorliegende Erfindung besteht dem Bekanntgewordenen gegenüber darin, daß am Einströmende der Reaktionszone in den diese durchströmenden erhitzten Wasserstoff eine erste Teilmenge des in Dampfform gebrachten Ausgangskohlenwasserstoffs in Form eines Kegelmantels, dessen Spitze in Richtung der Strömung des erhitzten Wasserstoffs liegt, radial und unmittelbar darauf eine zweite Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs tangential in die Reaktionszone eingeführt und das aus dieser in die Abschreckzone austretende ' Spaltprodukt in an sich bekannter Weise abgeschreckt wird.

Die erste Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 20 bis 400 m/sec' in radialer Richtung in die Reaktionszone eingeführt. Pur Kohlenwasserstoffe von geringem Molekulargewicht wie zum Beispiel Methan, wählt man dabei den Geschwindigkeitsbereich von etwa 100 bis 400 m/sec und für Benzinkohlenwasserstoff der mittleren Zusammensetzung GgH₁. den Geschwiridigkeitsbereich von etwa 50 bis 150 m/sec. Diese Geschwindigkeiten liegen mit ihren oberen Werten annähernd in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeiten in den betreffenden Stoffen

Die zweite Teilmenge des dampfförmigen AusgangsTohlenwasserstoffes wird tangential mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 bis m/sec in die Reaktionszone eingeführt. Die im Einzelfall zweckmäßig zu wählende Geschwindigkeit hängt dabei, ähnlich und in gleichem Sinne wie bei der radialen Einströmung,vom Molekulargewicht des betreffenden Ausgangskohlenwasserstoffes ab.

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Die Strömungsfäden der radial einströmenden ersten !Peilmenge des Terdampften Ausgangskohlenwasserstoffs schneiden sich in der Reaktionszone unter einem Winkel von etwa 90 bis 180°, entsprechend einem Winkel zur Waagerechten von etwa 45 "bis 0°, in einem Punkt. . Die Gesamtheit der Strömungsfäden liegt demnach auf der Mantelfläche eines geraden Kreiskegels, dessen Spitze in die Richtung der Strömung des erhitzten Wasserstoffs weist. Durch die radiale Einführung der ersten Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs in den strömenden heißen Wasserstoff wird eine innige Durchmischung der beiden Stoffe erreicht, während durch die gleich nach der radialen vorgesehene tangentiale Einführung der zweiten Teilmenge eine wirksame Bespülung der Innenfläche des Reaktionsraumee erfolgt, so daß Kohlenstoffablagerungen auf dieser verhindert werden.

Dem Eindringen von Kohlenwasserstoffdämpfen in die Lichtbogenbrennzone, das in dieser Kohlenstoffablagerungen hervorrufen könnte, ist erfindungsgemäß durch geeignete Wahl der Strömungsgeschwindigkeiten des Wasserstoffs und der ersten Teilmenge des Ausgangskohlenwasserstoffs sowie des Winkels, unter dem sich die Strömungsfäden dieser radial eingefahrenen ersten Teilmenge im Reaktionsraum schneiden, vorgebeugt.

Zur Erhitzung des in Teilströmen zugeführten Wasserstoffs im elektrischen Lichtbogen werden je Nm⁵ Wassen
zugsweise zwei bis fünf, kWh aufgewandt.

trischen Lichtbogen werden je Nm⁵ Wasserstoff zwei bis sieben, vqr-

Das Spaltprodukt wird in der Abschreckzone in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines in radialer Richtung eingedüsten Abschreckmittels abgeschreckt. Hierfür hat sich die Verwendung eines paraffinischen Öles, beispielsweise eines paraffinischen Heizöldestillats, bewährt.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auar einer gleichachsigen Aneinanderreihung einer an sich bekannten Lichtbogenbrennkammer, eines kreiszylindrischen Reaktionsraumes und eines ebenfalls kreiszylindrischen Abschreckraumes.

Die Liohtbogenbrennkammer ist in ihren Einzelheiten bereits in der deutschen Patentschrift 1 168 419 der Anmelderin beschrieben und wird in ihren wesentlichen Teilen

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unverändert übernommen. Sie besteht aus einer kreiszylindrischen, gekühlten Kammer, die nach unten offen und oben durch eine Abdeckung geschlossen ist, in der Durchtritteöffnungen für die Elektroden eingearbeitet und Halterungen für diese angeordnet sind. Am oberen Rande der Lichtbogenbrennkammer sind Einetrömöffnungen für Wasserstoff vorgesehen, und die Elektroden sind durch besondere Hülsen hindurchgeführt, die die Zuleitung weiterer Teilströme von Wasserstoff länge der Elektroden in die Lichtbogenbrennkammer ermöglichen.

Zwischen dieser und dem Reaktionsraum ist zunächst ein rundum laufender Ringschlitz angeordnet, dessen Meridiansohnitt dem der Basis benachbarten Teil der Mantellinie eines geraden Kreiskegels, dessen Spitze in der Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches auf der Mittelachse des Reaktionsraumes liegt, entsprioht. Dieser Ringschlitz dient zur Einführung der ersten Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwaeeerstoffs in radialer Richtung in den strömenden erhitzten Wasserstoff, wobei die Strömungsfäden ihren gemeinsamen Schnittpunkt auf der Mittelachse des Reaktionsraumes haben.

Bezogen auf die Basis des geraden Kreiskegels, ist der Ringschlit;
führt.

schlitz mit einem Winkel an derselben von 0 bis 45 ausge-

Darauf folgt ein den Reaktionsraum umgebender Ringkanal, der durch Ausströmöffnungen, die tangential eingearbeitet sind, mit dem Reaktionsraum in Verbindung steht. Hierdurch wird die zweite Teilmenge des verdampften Ausgangskohlenwasβerstoffs eingeführt.

Am Eingang des sich an den Reaktionsraum anschließenden Abschreckraumes ist ein Ringschlitz zur radialen Einführung des Abschreckmittels in das strömende heiße Spaltprodukt vorgesehen, der in einer zur Mittelachse der ganzen Vorrichtung senkrechten Ebene liegt.

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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen-" de Vorrichtung ist in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt.

Pig. 1 zeigt schematisch einen Meridianschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung nach der Schnittebene II ... ΙΊ, aus dem die baulichen Einzelheiten für die tangentiale Einführung des Kohlenwasserstoffs hervorgehen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß der Schnittebene III ... III und die radiale Einführung von Ausgangskohlenwasserstoff.

Die liohtbogenbrennkammer 1 in Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem in dem Zwischenstück 9 eingearbeiteten kreiseylindrischen Hohlraum, der unten offen ist· und dessen obere Begrenzung durch die Abdeckung 2 gebildet wird. Durch diese sind die Elektroden 3 hindurchgeführt und in ihr gehaltert. Um jede Elektrode herum bleibt hierbei eirt ringförmiger Einströmkanal 4 frei, duroh den Wasserstoff, die Elektrode umhüllend, in dit lichtbogenbrennkammer eingeführt wird.

Zwisohen der Abdeckung 2 und dem Zwischenstück 9 ist ein Verteilerring 5 für die Einleitung weiterer Wasserstoffmengen angeordnet, der mit einem Ringkanal 6 versehen ist.

Dieser steht durch eine Zuleitung 7 mit einer Wasserstoffquelle und duroh eine Anzahl gleichmäßig im Kreise verteilter Ausströmöffnungen 8, die tangential in die Lichtbogenbrennkammer 1 einmünden, mit dieser in Verbindung.

Das Zwischenstück 9 ist mit Kühlmittelkanälen 10 versehen.

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Auf die Lichtbogenbrennkammer f folgt in der Strömungsrichtung der erhitzten Wasserstoffteilströme der Zwischenring 11 mit dem Ringkanal 12, dem Ringschlitz 13 und dem Kühlmittelkanal 14. Für die Einleitung der ersten Teilmenge des Ausgangskohlenwasserstoffs in den Ringkanal 12 dient die Zuleitung 15. Der Ringschlitz 13 ist in der Strömungsrichtung des erhitzten Wasserstoffs beziehungsweise des Reaktionsgenisnhes schräg gestellt, so daß der aus ihm austretende Ausgangskohlenwasserstoff die Mantelfläche eines geraden Kreiskegels bildet, dessen Spitze auf der Mittelachse des Reaktionsraumes 19 liegt. Ein Querschnitt durch diese Anordnung nach der Schnittebene III...III ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.

In dem sich an den Zwischenring 11 anschließenden Verteilerring 16 ist ein Ringkanal 17 eingearbeitet, der in einer zur Mittelachse des Reaktionsraumes 19 senkrechten Ebene liegt und mit tangential in denselben einmündenden Ausströmöffnungen 18 für die zweite Teilmenge des Ausgangskohlenwasserstoffs versehen ist. Für die Einführung desselben in den Ringkanal 17 ist die Zuleitung 26 angeordnet. Diese Anordnung nach Schnittebene 1I...II ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.

Die Bezugszeichen 28 in Fig. 2 und 29 in Fig. 3 bedeuten Strömungsfäden des durchfließenden Ausgangskohlenwasserstoffs.

Der Reaktionsraum 19 ist in dem, beispielsweise aus Graphit bestehenden, von außen gekühlten Reaktorkörper 20 eingearbeitet.

Im A.'.sci?luß daran ist ein mit einem Ringk? ial 22 versehener Zwiaoh-bnring 21 angeordnet, wobei der Rin^canal 22 sich zur Bohrung des Zwischenringes hin zu einem Ringschlitz 23 verengt, desefr Ebene senkrecht zur Mittelachse der ganzen Vorrichtung liegt. Für die Einspeisung des Abschreckmittels in den Ringkanal dient die Zuleitung 24.

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Das letzte Glied der Aneinanderreihung ist der in den Block 27 eingearbeitete Abschreckraum 25, in dem das Einfrieren des durch den Spaltprozeß erhaltenen neuen chemischen Gleichgewichts zu Ende geführt wird.

Das erhaltene Spaltprodukt wird schließlich in an sich bekannter Weise aufgearbeitet.

Auf der Zeichnung Fig. 1 sind zwei Elektroden 3» wie sie für die Verwendung von Gleichstrom oder einphasigem Wechselstrom in Frage kommen, dargestellt. Die Anordnung kann jedoch beim Vorliegen anderer Stromversorgungsverhältnisse auch mit einer anderen Elektrodenzahl, beispielsweise mit drei Elektroden für Drehstrom, ausgeführt werden.

Beispiel:

In einem elektrischen Hochstromlichtbogen, der in einer wassergekühlten Lichtbogenbrennkammer 1 zwischen 3 Graphitelektroden 3 unterhalten wird und eine elektrische Leistung von 2250 kW umsetzt, werden stündlich 750 Nm Wasserstoff aufgeheizt. Sie werden derart eingefahren, daß sie am Einströmende des Reaktionsraumes 19 eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 70 m/sec haben. Aus einem wassergekühlten Ringschlitz 13 werden stündlich 800 kg Benzin mit den Siedegrenzen 4-0 und 130° in Dampf form in den erhitzten Wasserstoff eingedüst. Die Richtung der Eindüsung ist so gewählt, daß der Kohlenwasserstoffstrahl in Richtung zum Reaktorausgang hin eine Neigung von 30° gegenüber der Waagerechten erhält. Der Querschnitt des Ringschlitzes 13 ist dabei so bemessen, daß eine Austrittsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs von 160 n/sec erreicht wird. Unmittelbar unterhalb des RingsclilJtzes 13 sind 6 Ausströmöffnungen 18 angeordnet, durch die .atürdlich nochmals 200 kg Kohlenwasserstoffdampf mit einer Geschwindigkeit von 200 m/sec tangential eingeführt werden.

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Das Spaltprodukt wird bei Ringschlitz 23 durch radiales Eindüsen von stündlich 50 nr eines paraffin!sehen Heizöldestillats, dessen Siedegrenzen zwischen 180 und 350 C liegen, abgeschreckt. Es werden stündlich 1900 Nm Spaltgas erhalten mit einem Acetylengehalt von 11,5 Vol.-# und einem Äthylengehalt von 9,5 Vol.-#. Rußablagerungen werden an keiner Stelle gefunden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Wasserstoff, der in Teilströmen in eine Lichtbogenbrennzone eingeführt, dort erhitzt und in eine von der Licht Isogenzone räumlich getrennte, sich aber unmittelbar an sie anschließende Reaktionszone eingefahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintrittsende der Reaktionszone eine erste Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs in Form eines Kegelmantels mit einer in Richtung der Strömung des erhitzten Wasserstoffs liegenden Spitze radial und unmittelbar darauf, ebenfalls noch am Beginn der Reaktionszone, eine zweite Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs tangential in die Reaktionszone eingeführt und das aus dieser austretende Spaltprodukt in an sich bekannter Weise abgeschreckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial einströmende erste Teilmenge des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 20 bis 400 m/sec, vorzugsweise 50 bis 150 m/sec, und die tangential einströmende zweite Teilmenge desselben mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 bis 250 m/sec in die Reaktionszone eingefahren wi^rd.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial einströmende erste Teilmenge des dampfförmigen Auegangskohlenwasserstoffs unter einem Winkel zur Waagerechten von etwa 0 bis 4-5° in der Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches in die Reaktionszone eingefahren wird.

4. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhitzung des Wasserstoffs im elektrisohen Lichtbogen ;)«

kWh aufgewandt werden.

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trisohen Lichtbogen je Nm' 2 bis 7, vorzugsweise 2 bis 5»

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschreckmittel für das Spaltprodukt ein paraffinisches öl, beispielsweise in paraffinisches Heizöldestillat, verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einer gleichachsigen Aneinanderreihung einer an sich bekannten, im wesentlichen geschlossenen und unten offenen, mit Durchführungen und Halterungen für die Elektroden (3) sowie mit Einströmöffnungen (8) für Wasserstoff versehenen liichtbogenbrennkammer (1), eines darauf folgenden kreiszylindrischen, an beiden Enden offenen Reaktionsraumes (19) und eines sich daran anschließenden kreiszylindrischen, an beiden Enden offenen Abschreckraumes (25) für das Abschrecken des Spaltproduktes, wobei zwischen Lichtbogenbrennkammer (1) und Reaktionsraum (19) Einrichtungen (13, 18) zur Einführung des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs in den Reaktionsraum (19) und zwischen Reaktionsraum (19) und Abschreckraum (25) eine Einrichtung (22, 23, 24) zur Einführung eines Abschreckmittels in den Abschreckraum (25) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einführung des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffs zwischen Lichtbogenbrennkammer (1) und Reaktionsraum (19) ein rundum laufender Ringschlitz (13), dessen Meridianschnitt dem der Basis benachbarten Teil der Mantellinie eines geraden Kreiskegels, dessen Spitze in der Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches auf der Mittelachse des Reaktionsraumes (19) liegt, entspricht, angeordnet und gefolgt ist von einem in einer zur Mittelachse senkrechten Ebene liegenden r.inglcanal ( 17) mit tangential in den Reaktionsraum (19) «inmü.rdenden Austrittsöffnungen (18) für den dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoff.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringsolilitz (13) entsprechend einem Winkel von 0 bis 45° an der Basis des geraden Kreiskegels eingearbeitet

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8) Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennaeichnet, daß am Eingang des Abschreckraumes (25) ein In einer zur Mittelachse senkrechten Ebene liegender Ringsehlitz (25) zur radialen Einführung des Absohreckmittels in das strömende heiße Spaltprodukt vorgesehen . ist.

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