DE1468161B

DE1468161B - Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen zu Acetylen, Äthylen, Methan und Wasserstoff mit Hilfe von im elektrischen Lichtbogen erhitztem Wasserstoff

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Publication number: DE1468161B
Authority: DE
Original assignee: Knapsack Ag, 5033 Knapsack

Description

1 ' . 2

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gangskohlenwasserstoffes gleichzeitig der Einwirkung und eine Vorrichtung zur Spaltung von Kohlen- von im elektrischen Lichtbogen erhitztem Wasserstoff Wasserstoffen mit Hilfe von Wasserstoff, der in Teil- und der Strahlung des gleichen Lichtbogens auszusetströmen in eine Lichtbogenbrennzone eingeführt, zen. Bei einem anderen bekannten Verfahren der eindort erhitzt und in eine von der Lichtbogenbrenn- 5 leitend genannten Art wird der in der Lichtbogenzone räumlich getrennte, sich aber unmittelbar an sie brennzone erhitzte Wasserstoff in der auf diese folanschließende Reaktionszone eingebracht wird. genden Reaktionszone mit dem gas- oder dampfför-

Es ist eine Anzahl von Verfahren zur Spaltung von migen Ausgangskohlenwasserstoff zusammengebracht,

Kohlenwasserstoffen mit Hilfe des elektrischen Licht- der am entfernt liegenden Ende der Reaktionszone

bogens bereits bekanntgeworden. So wird z. B. bei io tangential eingeführt und in einer Schraubenbewe-

den in den deutschen Patentschriften 806 455 und gung an der Wandung der Reaktionszone entlang

871 001 beschriebenen Verfahren flüssiger Ausgangs- dem erhitzten Wasserstoff zunächst entgegenströmt,

kohlenwasserstoff durch die Lichtbogenstrecke ge- worauf am anderen Ende der Reaktionszone das

trieben, wobei in diese gleichzeitig Wasserstoff ein- Reaktionsgemisch seine Bewegungsrichtung umkehrt

geblasen bzw. eine wasserstoffhaltige oder eine inerte 15 und entlang der Mittelachse der rotationssymmetri-

Atmosphäre im Reaktionsraum aufrechterhalten sehen Reaktionszone mit wachsender Strömungs-

wird. Hierbei entstehen jedoch große Mengen von geschwindigkeit in die Nachreaktionszone einströmt

Nebenprodukten, die die Ausbeute mindern, vor und schließlich abgeschreckt wird. Der Wasserstoff

allem ist der Anfall an Ruß erheblich. wird hierbei in der Weise eingebracht, daß ein erster

In der deutschen Patentschrift 587 129 sind ein 20 Teilstrom am oberen Rande der Lichtbogenbrenn-

Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen zone tangential in diese und weitere Teilströme, die

und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- Elektroden gleichmäßig umhüllend und längs der-

rens beschrieben. Bei diesem Verfahren wird durch selben, in die Lichtbogenbrennzone eingeführt wer-

einen Lichtbogen, der von zwei einander gegenüber- den. Von dieser Art der Einführung und Erhitzung

stehend angeordneten und hohl ausgebildeten Elek- 25 des Wasserstoffes wird auch bei der vorliegenden Er-

troden geführt wird, Wasserstoff geschickt, der in die findung Gebrauch gemacht.

eine Elektrode eingeführt wird und sie am Licht- Die vorliegende Erfindung besteht dem Bekanntbogenfußpunkt durch eine Öffnung verläßt. Nach gewordenen gegenüber darin, daß am Einströmende Durchlaufen des Lichtbogens tritt der erhitzte Was- der Reaktionszone in den diese durchströmenden serstoff durch eine Öffnung der anderen Elektrode in 30 Wasserstoff eine erste Teilmenge des gas- oder letztere ein. Gleichzeitig wird am oberen Ende des dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes in Form Spaltofens flüssiger Kohlenwasserstoff eingeleitet, eines Kegelmantels mit einer in Richtung der Ströder an der Innenwand des Spaltofens herunterfließt mung des erhitzten Wasserstoffes liegenden Spitze und dadurch in der Lichtbogenbrennzone von dem und unmittelbar darauf, ebenfalls noch am Beginn Lichtbogen und dem erhitzten Wasserstoff aufgeheizt 35 der Reaktionszone, eine zweite Teilmenge des gaswird, oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes

Da die Berührungsfläche zwischen dem erhitzten tangential in die Reaktionszone eingeführt und das Wasserstoff und dem aufzuheizenden Kohlenwasser- aus dieser austretende Spaltprodukt in an sich bestoff relativ klein und deren Berührungszeit recht kannter Weise abgeschreckt wird,
kurz sind, läßt der Wärmeübergang von dem heißen 40 Die erste Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Wasserstoff zu dem Kohlenwasserstoff zu wünschen Ausgangskohlenwasserstoffes wird mit einer Ströübrig. Daraus folgt, daß der Wasserstoff den Reak- mungsgeschwindigkeit von etwa 20 bis 400 m/sec in tionsraum schon verläßt, bevor er seine Wärme an ■ kegelmantelförmiger Richtung in die ReaktionszonS den Kohlenwasserstoff abgeben konnte, so daß die- eingeführt. Für Kohlenwasserstoffe von geringem ses Verfahren nur mit einem niedrigen Wirkungsgrad 45 Molekulargewicht, wie z. B. Methan, wählt man dazu betreiben ist. Auch kommt der Kohlenwasserstoff bei den Geschwindigkeitsbereich von etwa 100 bis dem Lichtbogen sehr nahe, so daß eine unmittelbare 400 m/sec und für Benzinkohlenwasserstoff der mitt-Berührung zwischen Kohlenwasserstoff und Licht- leren Zusammensetzung C₆H₁₄ den Geschwindigkeitsbogen zu befürchten ist. Demzufolge kann sich Koh- bereich von etwa 50 bis 150 m/sec. Diese Geschwinlenstoff bilden, der sich als Ruß in dem Kohlen- 50 digkeiten liegen mit ihren oberen Werten annähernd wasserstoff verteilt oder sich als Koks an den Elek- in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeiten troden ablagert, wodurch die Ausbeute an Acetylen in den betreffenden Stoffen,
und Äthylen stark beeinträchtigt wird. Die zweite Teilmenge des gas- oder dampfförmi-

Bei dem Verfahren nach der deutschen Patent- gen Ausgangskohlenwasserstoffes wird tangential mit

schrift 1 064 945 werden Kohlenwasserstoff und Ver- 55 einer Strömungsgeschwindigkeit von 100 bis 250 m/sec

brennungsgase gleichzeitig in einen Verbrennungs- in die Reaktionszone eingeführt. Die im Einzelfall

raum geleitet, wo durch partielle Verbrennung des zweckmäßig zu wählende Geschwindigkeit hängt da-

Kohlenwasserstoffes die zu seiner Spaltung notwen- bei, ähnlich und in gleichem Sinne wie bei der kegel-

dige Wärme erzeugt wird. Um Kohlenstoffablagerun- mantelförmigen Einströmung, vom Molekulargewicht

gen an der Wandung des Verbrennungsraumes zu 60 des betreffenden Ausgangskohlenwasserstoffes ab.

vermeiden, wird die Wandung mit Wasser bespült. Die Strömungsfäden der kegelmantelförmig ein-

Dabei muß dafür Sorge getragen werden, daß das strömenden ersten Teilmenge des gas- oder dampf-Spülwasser in hinreichend großen Mengen und mit förmigen Ausgangskohlenwasserstoffes schneiden sich

hoher Geschwindigkeit entlang der Wandung des in der Reaktionszone unter einem Winkel ab 90°,

Verbrennungsraumes fließt, um ein Verdampfen des 65 entsprechend einem Winkel zur Waagerechten bis

Wassers zu verhindern. 45°, in einem Punkt. Die Gesamtheit der Strömungs-

Es ist weiterhin bekannt, einen rotierenden, dün- fäden liegt demnach auf der Mantelfläche eines genen, sich stetig erneuernden FUm des flüssigen Aus- raden Kreiskegels, dessen Spitze in die Richtung der

Strömung des erhitzten Wasserstoffes weist. Durch die kegelmantelförmige Einführung der ersten Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes in den strömenden heißen Wasserstoff wird eine innige Durchmischung der beiden Stoffe erreicht, während durch die gleich nach der kegelmantelförmigen vorgesehene tangentiale Einführung der zweiten Teilmenge eine wirksame Bespülung der Innenfläche des Reaktionsraumes erfolgt, so daß

mende heiße Spaltprodukt vorgesehen, der in einer zur Mittelachse der ganzen Vorrichtung senkrechten Ebene liegt.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Meridianschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung nach der Schnittebene H-II, aus dem die baulichen Einzelheiten für die tangentiale Einführung des Kohlenwasserstoffes hervorgehen;

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrich-

der Ringschlitz mit einem Winkel an derselben bis 45° ausgeführt.

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 gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes eingeführt.

Am Eingang des sich an den Reaktionsraum anKohlenstoff ablagerungen auf dieser verhindert werden. io schließenden Abschreckraumes ist ein Ringschlitz zur Dem Eindringen von Kohlenwasserstoffdämpfen radialen Einführung des Abschreckmittels in das ströin die Lichtbogenbrennzone, das in dieser Kohlenstoffablagerungen hervorrufen könnte, ist erfindungsgemäß durch geeignete Wahl der Strömungsgeschwindigkeiten des Wasserstoffes und der ersten Teilmenge χ 5
des Ausgangskohlenwasserstoffes sowie des Winkels,
unter dem sich die Strömungsfäden dieser kegelmantelförmig eingefahrenen ersten Teilmenge im
Reaktionsraum schneiden, vorgebeugt.

Zur Erhitzung des in Teilströmen zugeführten Wasserstoffes im elektrischen Lichtbogen werden je Nm³ Wasserstoff 2 bis 7, vorzugsweise 2 bis 5 kWh aufgewandt.

Das Spaltprodukt wird in der Abschreckzone in an

sich bekannter Weise mit Hilfe eines in radialer Rieh- 25 tung gemäß der Schnittebene III-III und die radiale tung eingedüsten Abschreckmittels abgeschreckt. Hier- Einführung von Ausgangskohlenwasserstoff, für hat sich die Verwendung eines paraffinischen Öles, Die Lichtbogenbrennkammer 1 in F i g. 1 besteht

beispielsweise eines paraffinischen Heizöldestillats, im wesentlichen aus einem in dem Zwischenstück 9 bewährt. eingearbeiteten kreiszylindrischen Hohlraum, der un-

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- 30 ten offen ist und dessen obere Begrenzung durch die gemäßen Verfahrens besteht aus einer gleichachsigen Abdeckung 2 gebildet wird. Durch diese sind die Aneinanderreihung einer in an sich bekannter Weise Elektroden 3 hindurchgeführt und in ihr gehaltert, gestalteten, nach unten offenen, mit Durchführungen Um jede Elektrode herum bleibt hierbei ein ringför- und Halterungen für die Elektroden sowie mit Ein- miger Einströmkanal 4 frei, durch den Wasserstoff, Strömöffnungen für Wasserstoff versehenen Licht- 35 die Elektrode umhüllend, in die Lichtbogenbrennkammer eingeführt wird.

, Zwischen 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 durch eine Anzahl gleichmäßig im Kreise verteilter Ausströmöffnungen 8, die tangential in die Lichtbogenbrennkammer 1 einmünden, aus einer kreiszylindrischen, gekühlten Kammer, die 45 mit dieser in Verbindung.

nach unten offen und oben durch eine Abdeckung Das Zwischenstück 9 ist mit Kühlmittelkanälen 10

geschlossen ist, in der Durchtrittsöffnungen für die versehen. Auf die Lichtbogenbrennkammer 1 folgt in Elektroden eingearbeitet und Halterungen für diese der Strömungsrichtung der erhitzten Wasserstoffteilangeordnet sind. Am oberen Rande der Lichtbogen- ströme der Zwischenring 11 mit dem Ringkanal 12, brennkammer sind Einströmöffnungen für Wasserstoff 50 dem Ringschlitz 13 und dem Kühlmittelkanal 14. Für vorgesehen, und die Elektroden sind durch besondere die Einleitung der ersten Teilmenge des Ausgangs-Hülsen hindurchgeführt, die die Zuleitung weiterer kohlenwasserstoffs in den Ringkanal 12 dient die Zu-Teilströme von Wasserstoff längs der Elektroden in leitung 15. Der Ringschlitz 13 ist in der Strömungsdie Lichtbogenbrennkammer ermöglichen. richtung des erhitzten Wasserstoffes bzw. des Re-

Zwischen dieser und dem Reaktionsraum ist zu- 55 aktionsgemisches schräg gestellt, so daß der aus ihm nächst ein rundum laufender Ringschlitz angeordnet, austretende Ausgangskohlenwasserstoff die Manteldessen Meridianschnitt dem der Basis benachbarten fläche eines geraden Kreiskegels bildet, dessen Spitze Teil der Mantellinie eines geraden Kreiskegels, des- auf der Mittelachse des Reaktionsraumes 19 liegt sen Spitze in der Strömungsrichtung des Reaktions- Ein Querschnitt durch diese Anordnung nach der gemisches auf der Mittelachse des Reaktionsraumes 60 Schnittebene HI-III ist schematisch in Fig. 3 geliegt, entspricht. Dieser Ringschlitz dient zur Einfüh- zeigt.

In dem sich an den Zwischenring 11 anschließenden Verteilerring 16 ist ein Ringkanal 17 eingearbeitet, der in einer zur Mittelachse des Reaktionsserstoff, wobei die Strömungsfäden ihren gemein- 65 raumes 19 senkrechten Ebene liegt und mit tangensamen Schnittpunkt auf der Mittelachse des Reak- tial in denselben einmündenden Ausströmöffnungen

18 für die zweite Teilmenge des Ausgangskohlenwasserstoffes versehen ist. Für die Einführung des-

bogenbrennkammer, einem darauffolgenden kreiszylindrischen, an beiden Enden offenen Reaktionsraum und einem sich daran anschließenden kreiszylindrischen, an beiden Enden offenen Abschreckraum zum Abschrecken des Spaltproduktes.

Die Lichtbogenbrennkammer ist in ihren Einzelheiten bereits in der deutschen Patentschrift 1168 419 des Erfinders beschrieben und wird in ihren wesentlichen Teilen unverändert übernommen. Sie besteht

rung der ersten Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes in kegelmantelförmiger Richtung in den strömenden erhitzten Was-

tionsraumes haben.
Bezogen auf die Basis des geraden Kreiskegels, ist

selben in den Ringkanal 17 ist die Zuleitung 26 angeordnet. Diese Anordnung nach Schnittebene II-II ist schematisch in F i g. 2 dargestellt.

Die Bezugszeichen28 in Fig. 2 und 29 in Fig. 3 bedeuten Strömungsfäden des durchfließenden Ausgangskohlenwasserstoffes.

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

Im Anschluß daran ist ein mit einem Ringkanal 22 versehener Zwischenring 21 angeordnet, wobei der Ringkanal 22 sich zur Bohrung des Zwischenringes hin zu einem Ringschlitz 23 verengt, dessen Ebene senkrecht zur Mittelachse der ganzen Vorrichtung liegt. Für die Einspeisung des Abschreckmittels in den Ringkanal dient die Zuleitung 24.

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 F i g. 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 Lichtbogenbrennnkammer 1 zwischen drei Graphitelektroden 3 unterhalten wird und eine elektrische Leistung von 2250 kW umsetzt, werden stündlich 750 Nm³ 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 40 und 130° C in Dampfform in den erhitzten Wasserstoff eingedüst. Die Richtung der Eindüsung ist so gewählt, daß der Kohlenwasserstoff strahl 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 Kohlenwasserstoffes von 160 m/ see erreicht wird. Unmittelbar unterhalb des Ring-Schlitzes 13 sind sechs Ausströmöffnungen 18 angeordnet, durch die stündlich nochmals 200 kg Kohlenwasserstoffdampf mit einer Geschwindigkeit von 200 m/sec tangential eingeführt werden. ■

Das Spaltprodukt wird bei Ringschlitz 23 durch radiales Eindüsen von stündlich 50 m³ eines paraffinischen Heizöldestillates, dessen Siedegrenzen zwischen 180 und 35O⁰C liegen, abgeschreckt. Es "werden stündlich 1900 Nm³ Spaltgas erhalten mit einem Acetylengehalt von 11,5 Volumprozent und einem Äthylengehalt von 9,5 Volumprozent. Rußablagerungen werden an keiner Stelle gefunden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen zu Acetylen, Äthylen, Methan und Wasserstoff mit Hilfe von im elektrischen Licht-• : bogen erhitztem 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, dadurch gekennzeichnet, daß am Ein-• strömende der Reaktionszone in den diese durchströmenden Wasserstoff eine erste Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes in Form eines Kegelmantels mit einer in Richtung der Strömung des erhitzten Wasserstoffes liegenden Spitze und unmittelbar darauf, ebenfalls noch am Beginn der Reaktionszone, eine zweite Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes 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 kegelmantelförmig einströmende erste Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes 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 eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelmantelförmig einströmende erste Teilmenge des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes unter einem Winkel zur Waagerechten bis 45° in dei Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches in die Reaktionszone eingeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhitzung des Wasserstoffes im elektrischen Lichtbogen je Nm³ 2 bis 7, vorzugsweise 2 bis 5 kWh aufgewandt werden.

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

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend

- aus einer gleichachsigen Aneinanderreihung einei in an sich bekannter Weise gestalteten, nach unten offenen, mit Durchführungen und Halte_; rungen für die Elektroden (3) sowie mit Einströmöffnungen (8) für Wasserstoff versehenen Lichtbogenbrennkammer (1), einem darauf folgenden kreiszylindrischen, an beiden Enden offenen Re-..aktionsraum (19) und einem sich daran anschließenden kreiszylindrischen, an beiden Enden offenen Abschreckraum (25) zum Abschrecken des Spaltproduktes, wobei zwischen Lichtbogenbrennkammer (1) und Reaktionsraum (19) Einrichtungen (13, 18) zur Einführung des gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes 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 gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoffes zwischen Lichtbogenbrennkammer (1) und Reaktionsarum (19) ein rundum laufender Ringschlitz (13), dessen Meridian-

schnitt 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 Ringkanal (17) mit tangential in den Reaktionsraum (19) einmündenden Austrittsöffnungen (18) für den gas- oder dampfförmigen Ausgangskohlenwasserstoff.

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

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Abschreckraumes (25) ein in einer zur Mittelachse senkrechten Ebene liegender Ringschlitz (23) zur radialen Einführung des Abschreckmittels in das strömende heiße Spaltprodukt vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 548/428