DE2829600A1

DE2829600A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der reaktionsenthalpie von schnellen chemischen reaktionen in homogener gasphase

Info

Publication number: DE2829600A1
Application number: DE19782829600
Authority: DE
Inventors: Mircea Dinulescu
Original assignee: KINETICS TECHNOLOGY; Kinetics Technology International BV
Current assignee: KINETICS TECHNOLOGY; TEn Netherlands BV
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1979-01-25
Also published as: NL190243B; BE868718A; US4265732A; IT1111487B; GB2001551B; NL7807096A; GB2001551A; IT7868588A0; FR2396587A1; NL190243C; ES471412A1; DE2829600C2; FR2396587B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung bzw. Kontrolle der Reaktionsenthalpie von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase sowie die Anwendung -derselben in einem Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffen.

Die homogenen chemischen Reaktionen in der Gasphase repräsentieren einen großen Anteil der in der Industrie angewendeten klassischen chemischen Reaktionen. Die Temperatur dieser Reaktionen liegt innerhalb des Bereiches von einer mäßigen Temperatur (lOO bis 200°C) bis zu einer sehr hohen Temperatur (2000 bis 2500°C), wobei der Druck einen Bereich von einem starken Vakuum bis zu Tausenden von Bar umfaßt.

Der Wärmeeffekt dieser Reaktionen wird derzeit nach drei verschiedenen Methoden gesteuert:

a) Durch Wärmeübertragung von einer festen Oberfläche, die mit den Reaktanten in Kontakt steht. Bei der festen Oberfläche kann es sich um eine kontinuierliche Oberfläche handeln, welche die Reaktanten von dem Kühl- oder Heizmedium trennt (beheizte oder nichtbeheizte Wärmeaustauscher), oder sie kann in Form von Feststoffteilchen vorliegen, die gekühlt oder aufgeheizt werden, bevor sie mit den Reaktanten in Kontakt gebracht werden (Wirbelbett, regenerativer Reaktor);

b) durch direkten Kontakt. Die Reaktanten können mit einem heißeren oder kälteren Gas oder mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden, die von einer Verdampfung oder Kondensation begleitet ist

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oder nicht;

c) durch einen elektrischen Lichtbogen. Die sich in einem elektrischen Feld mit einer hohen Geschwindigkeit bewegenden geladenen Teilchen Übertragen durch Kollision Biergie auf die Gasmoleküle. Die Gasenthalpie kann nur erhöht werden.

> In der Regel ist es erwünscht, die Reaktion in einem homogenen Feld der Temperatur, des Druckes und der Konzentration der chemischen Komponenten durchzuführen; im allgemeinen hat jede Abweichung von der Homogenität einen nachteiligen Effekt auf die Reaktionsprodukte. Im Falle der Gasphasenreaktionen resultiert die Bedingung des homogenen Konzentrationsfeldes aus der Bedingung der Homogenität des Druckes und der Temperatur, vorausgesetzt, daß das Anfangskonzentrationsfeld homogen ist. Von diesen beiden Parametern kann der Druck leicht homogen gehalten werden, während die Temperatur ein inhomogenes Feld darstellt aufgrund der großen Wärmemenge, die auf die Reaktanten oder von den Reaktanten übertragen werden muß.

Es ist deshalb die Temperaturverteilung in der Reaktionszone, die für das Leistungsvermögen eines chemischen Reaktors bzw. Reaktionsgefäßes (nachfolgend stets als Reaktor bezeichnet) verantwortlich ist. Die oben genannten Methoden (a), (b) und (c) der Handhabung bzw. Steuerung des Wärmeeffektes der Reaktion

zeigen einen bestimmten Grad von Inhomogenität in dem Temperaturfeld, der bei kürzeren Reaktionszeiten und höheren Wärmeeffekten signifikanter ist.

Wenn die Reaktionszeit lang ist (beispielsweise mehr als 1 Sekunde beträgt), kann der Wärmetransport im Innern des Gasvolumens viel

schneller erzielt werden als die Reaktionszeit (beispielsweise in Strömungsreaktoren mit einer turbulenten Strömung oder in gut gemischten Chargenreaktoren), was zu einem praktisch homogenen Temperaturfeld fuhrt. Im Falle von schnellen chemischen Reaktionen (mit einer Reaktionszeit von 0,0001 bis 0,1 Sekunden) kann jedoch die für den Transport von Energie bei Anwendung der' Methoden (a), (b) oder (c) erforderliche Zeit viel größer sein als die Reaktionszeit, was zu einem stark inhomogenen Temperaturfeld führt.

Bei der obigen Methode (a), welche die größte praktische Anwendung gefunden hat, entsteht ein inhomogenes Temperaturfeld durch die Temperaturdifferenz zwischen der festen Oberfläche (Feststoffoberfläche) und dem reagierenden Gas (Reaktionsgas). Durch diese Temperaturdifferenz ist die Reaktionsgeschwindigkeit (die in der Regel mit der Temperatur sehr schnell ansteigt) in den heißeren Gasteilchen höher, was zu einem inhomogenen Konzentrationsfeld führt.

Bei der obigen Methode (b) entsteht, ein inhomogenes Konzentrationsfeld nicht nur durch die Wärmeübertragung, wie oben erläutert, sondern auch durch das Verfahren des Mischens der Reaktanten mit einem Fluid bzw. einer Flüssigkeit einer anderen Zusammensetzung.

Die obige Methode (c) hat zwar den Vorteil der direkten Wärmeübertragung in dem Gasvolumen durch die Kollision der sich schnell bewegenden geladenen Teilchen mit den Gasmolekülen, der Strom der geladenen Teilchen ist jedoch nicht gleichmäßig über das Gasvolumen verteilt, was zu einer ungleichmäßigen Zerstörung bzw. Übertragung

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von Energie und deshalb zu einem inhomogenen Temperatur- und Konzentrationsfeld fuhrt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung (Handhabung) der Reaktionsenthalpie von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase. Erfindungsgemäß kann ein viel homogeneres Temperaturfeld dadurch erzielt werden, daß man die Reaktion mit einer sehr kurzen Verweilzeit (0,0001 bis 0,1 Sekunden) durchführt durch Verwendung von mechanischer Energie in Form von Arbeit, die von sich bewegenden Oberflächen geleistet wird, die mit den Reaktanten in Kontakt stehen, die dem Reaktor für endotherme Reaktionen zugeführt wird und die für exotherme Reaktionen von dem Reaktor an die Umgebung abgegeben wird.

Es gibt zwei thermodynamisch^ Hauptverfahren der Übertragung von Energie in Form von mechanischer Arbeit, die mit Vorteil für den oben genannten Zweck angewendet werden können: die adiabatische Kompression oder Expansion des Gases und die adiabatische Umwandlung (Zerstörung) von mechanischer Energie in Wärme. Diese beiden Verfahren der Energieübertragung laufen ab unter Verwendung von Arbeit, die an den oder von den sich bewegenden Oberflächen geleistet wird, die mit dem Reaktionsgas in Kontakt stehen. Die adiabatische Kompression und Expansion des Gases kann bei einer geringen Umwandlung (Verlust) innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes erzielt werden aufgrund der sehr kurzen Zeit, die erforderlich ist, um die Druckdifferenzen in dem Gasvolumen auszugleichen. Bei exothermen Reaktionen führt die Arbeit, die während der adiabatischen Expansion an der Umgebung geleistet wird, zu einer Abnahme an innerer Energie, welche die Wärme kompensiert, die als Folge der

Reaktion entwickelt wird, wodurch es möglich ist, die Reaktion auf dem gewünschten Temperaturniveau zu halten. Bei endothermen Reaktionen fuhrt die adiabatische Kompression zu einer Zunahme der inneren Energie, welche die durch die Reaktion absorbierte Wärme kompensiert. Der Grad der Turbulenzen in der Reaktionsmischung kann niedrig gehalten werden, was zu einer niedrigen Umwandlung (Zerstörung bzw. Verlust) von Energie und zu einer geringen Wärmeübertragung zwischen dem Gas und den Wänden führt. Die Reaktion kann bei einer viel höheren Temperatur als sie die umgebenden gekühlten Wände haben, durchgeführt werden, wobei der Bereich des nicht-homogenen Temperaturfeldes auf eine dünne thermische Grenz» schicht entlang der Wände beschränkt ist. Bei den meisten Reaktionen, die mit einem erhöhten Grad der Umwandlung durchgeführt werden, der für die industrielle Anwendung von Interesse ist, ist die Reaktionsenthalpie höher als die Arbeit, die das Gas durch Expansion oder Kompression austauschen kann. In solchen Fällen kann die Reaktionstemperatur gesteuert bzw. kontrolliert werden durch Verdünnen der Reaktanten in einem Gas (z.B. H„, He, Ar, N«, H„0), das unter den Reaktionsbedingungen damit nicht chemisch reagiert. Die ausgetauschte mechanische Arbeit liegt in einer Menge vor, die proportional zu der Gesamtmenge des Gases (Verdünnungsmittel plus Reaktanten) ist, während die Reaktionsenthalpie proportional zur Menge der Reaktanten ist. Durch Änderung des Verhältnisses von Verdünnungsmittel zu Reaktanten kann die mechanische Arbeit gegenüber der Reaktionsenthalpie ausbalanciert werden, um die Reaktion unter Kontrolle zu halten.

Die Umwandlung (Zerstörung) von mechanischer Energie in Wärme kann nur bei endothermen Reaktionen angewendet werden, da die

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einzige mögliche Richtung des Austausches von Arbeit diejenige von der Umgebung an das System ist, in dem die Umwandlung (Zerstörung) stattfindet. Die Umwandlung wird erzielt durch Erzeugung eines kleinen turbulenten Feldes hoher Intensität in dem Reaktionsgasvolumen als Folge der Bewegung von festen Oberflächen im Innern des Gasvolumens. Während, dieser Bewegung sind die Oberflächen einem starken aerodynamischen Widerstand ausgesetzt. Die Form der Oberfläche muß so sein, daß die Scherreibungskraft viel niedriger ist als die Zugkraft, so daß der Hauptteil der mechanischen Arbeit, der von der festen Oberfläche geleistet wird, in kinetische Energie des Gases umgewandelt wird, wobei diese kinetische Energie weiter in Wärme umgewandelt wird in kleinen Wirbeln, die homogen in dem Gasvolumen verteilt sind. Durch Kühlen der Oberfläche kann die Reaktion bei einer viel höheren Temperatur als der Temperatur der umgebenden Oberflächen durchgeführt werden.

Auf der Basis der vorstehend beschriebenen Verfahren zur Durchfuhrung der homogenen chemischen Gasphasenreaktionen werden erfindungsgemäß neue Typen von chemischen Reaktoren geschaffen, in denen mechanische Energie in Form von Arbeit, die durch sich bewegende Oberflächen geleistet wird, die mit den Reaktanten in Kontakt stehen, als Quelle

für die Reaktionenthalpie, deren Hauptvorteile darin bestehen, daß große Gasmengen kontinuierlich bei einer sehr kurzen Reaktionszeit (0,0001 bis 0,1 Sekunden) in einem homogenen Temperaturfeld verarbeitet werden.

Gegenstand der Erfindung sind ferner Verfahren, in denen diese neuen Reaktortypen verwendet werden können zur Durchführung der chemischen Reaktionen in einem großtechnischen Maßstabe.

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Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einem Verfahren zur Steuerung bzw. Handhabung der Reaktionsenthalpie von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase, bei dem man mechanische Energie in Form von Arbeit, die von sich bewegenden Oberflächen geleistet wird, die mit den Reaktanten in Kontakt steht, der Energie aus den gasförmigen Reaktanten zugeführt oder entzogen wird. Die übertragung von Energie wird erzielt durch adiabatische Kompression oder Expansion des Gases oder durch adiabatische Umwandlung (Verteilung) von mechanischer Energie in Wärme. Ein weiterer bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einer Vorrichtung zur Durchfuhrung von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase, wobei diese Prinzipien in dem Reaktor angewendet werden, und in einem Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffen, bei dem dieses Prinzip in dem Reaktor angewendet wird.

Es gibt drei Typen von chemischen Reaktoren: Verdrängungsmotoren (positive Verdrängungsvorrichtungen), ähnlich den konventionellen Vier-Takt-Motoren, Reaktoren vom axialen Kompressor/Turbinen-Typ, Reaktoren vom axialen Energieumwandlungs-Typ. Diese drei Reaktortypen können zur Durchführung einiger weniger Verfahren angewendet werden.

Reaktor vom Kolben-Typ (Verdrängunpsmotor)

Bei dem Kolben-Reaktor handelt es sich um einen Chargen-Reaktor, bei dem ein Gasvolumen in den Reaktor eingeleitet, dem Reaktionscyclus ausgesetzt und dann aus dem Reaktor abgezogen wird, wobei der Cyclus mit einem anderen Gasvolumen wiederholt wird, so daß der Reaktor einen kontinuierlichen Strom von Reaktionsprodukten

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erzeugt.

Der Reaktor besteht aus einem Kolben (i) (vgl. Fig. la), der sich in einem Zylinder (2) bewegt, wobei die Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder durch Dichtungsringe (3) sichergestellt wird. Die Welle '(7), die sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht, ist durch die Verbindungsstange (6) mit dem Kolben (T) verbunden. Das Einlaßventil (4) und das Auslaßventil (5) arbeiten in einer Reihenfolge ähnlich derjenigen eines Vier-Takt-Kolbenmotors (vgl. Fig. Ib). Der Zylinder kann mit Kühlwasser oder anderen Flüssigkeiten gekühlt werden, wenn die Reaktionstemperatur zu hoch ist. Das verwendete Schmiermittel muß in der Weise ausgewählt werden, daß es mit den Reaktionsprodukten nicht chemisch reagiert und diese auch nicht verunreinigt. Der Aufbau des Reaktors ist ein solcher vom konventionellen Typ, bezogen auf das technologische Wissen auf dem Gebiet von Vier-Takt-Kolbenmotoren.

Die Fig. Ic zeigt das Gastemperaturprofil entlang des Cyclus. Das, erforderlichenfalls mit einem Verdünnungsmittel gemischte, Gas wird vorerwärmt, bevor es aus einer Beschickungszuführungsleitung mit einer Temperatur in den Reaktor eingeführt wird, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit vernachlässigbar klein ist. Während der Kompression steigen der Druck und die Temperatur an. An dem Punkte A (A¹) ist die Temperatur für die Einleitung der Reaktion hoch genug. Die Reaktion läuft in dem Bereich ABC (A'B'C) ab, wobei sie durch die Gasexpansion nach dem Punkt C (C) eingefroren wird, die von einem Temperaturabfall begleitet ist. Das Gas wird in die Produktleitung abgezogen und ein neuer Cyclus beginnt. Im Falle von endothermen Reaktionen (ABC) ist die

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Temperatur an dem Auslaß niedriger als die Einlaßtemperatur aufgrund der durch die Reaktion absorbierten Wärme und der Wärmeverluste. Im Falle von exothermen Reaktionen ist die Auslaßtemperatur höher als die Einlaßtemperatur, wenn die Reaktionswärme größer ist als die Wärmeverluste.

t * Reaktor vom axialen Kompressor/Turbinen-Typ

Dieser Reaktortyp ist ein Strömungsreaktor, in dem die Temperatur und der Druck des Gases sich ändern als Folge des Austausches von mechanischer Arbeit während des kontinuierlichen Strömens durch die Reaktorstufen, die als Kpmpressor- und/oder Reaktorstufen ausgestaltet sind, so daß das gewünschte Temperaturprofil erhalten wird. Der Reaktor (vgl. Fig. 2a) besteht aus einem Rotor (i), der mittels einer Welle (2) mechanische Arbeit auf die Umgebung Überträgt oder von dieser aufnimmt. Der Rotor (i) ist mit Rotationsflügeln (3) versehen, die zwischen den stationären Flügeln (4), die an dem Gehäuse (5)fixiert sind, rotieren. Der Aufbau des Reaktors ist ein solcher vom konventionellen Typ. Die Form der stationären Flügel und der Rotations flügel kann so gewählt werden, daß der Reaktor das gewünschte EnergieUbertragungsprofil in Form von Kompressions- oder Expansionsarbeit ergibt, das für die jeweilige Reaktion geeignet ist. Die Kompression und/oder Expansion werden mit einem hohen hydraulischen Wirkungsgrad erzielt. Die Vorteile dieses Reaktortyps bestehen darin, daß es möglich ist, den Reaktor zu gestalten für ein willkürliches EnergiezufUhrungsprofil (in Form von Kompressions- ader Expansionsarbeit) und daß es möglich ist, große Gasmengen kontinuierlich zu verarbeiten.

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Der erforderlichenfalls verdünnte Reaktant wird auf eine Temperatur vorerwärmt, bei welcher die Reaktionsgeschwindigkeit vernachlässigbar gering ist, dann wird er in den Reaktor eingeführt und durch die stationären und Rotationsflügel zirkuliert, die dem gewünschten Temperatur- und Druckprofil folgen (vgl. Fig. 2b)* Die Reaktion läuft ab in dem Bereich ABC (A¹B¹C¹), wobei sie durch die weitere Expansion des Gases abgeschreckt wird. Eine andere Möglichkeit der Abschreckung der Reaktion innerhalb einer kurzen Zeit besteht darin, ein kaltes Fluid bzw. eine kalte Flüssigkeit (z.B. Wasser) an dem Reaktorauslaß oder zwischen den Stufen einzuspritzen·

Reaktor vom axialen Eneraieumwandlungs-Typ

Dieser Reaktortyp kann nur für endotherme Reaktionen verwendet werden. Der Reaktor (vgl. Fig. 3a und 4) hat einen ähnlichen Aufbau wie in der Fig. 2a dargestellt mit Ausnahme der Form der Flügel (Fig. 3b), die so gestaltet sind, daß der Hauptteil der Wellenarbeit in Wärme umgewandelt wird. Die Flügel kännen beispielsweise gerade sein und einen rechteckigen Querschnitt haben (vgl. Fig. 3a), wobei die stationären Flügel (4) in axialer Richtung und die Rotationsflügel (3) schwach geneigt sind, so daß eine geringe Kompression erzielt werden kann, um das Gas durch den Reaktor zu zirkulieren, ohne daß ein merklicher Druckabfall oder sogar ein geringer Druckanstieg auftritt. Entsprechend dieser geometrischen Form der Flügel, die hier nur als ein Beispiel angegeben ist, ohne daß dadurch verschiedene andere Formen ausgeschlossen werden, die ebenfalls fUr die Umwandlung der Wellenarbeit in Wärme verwendet werden können, wird dem Gas eine hohe

Tangentialgeschwindigkeit verliehen, wobei diese kinetische Energie in den stationären Flügeln in Wärme umgewandelt wird durch abrupte Änderung der Strömungsrichtung von tangential in axial.

Die Beendigung der Reaktion kann nach zwei verschiedenen Methoden erzielt werden. Nach einer ersten Methode können auf die Umwandlungsstufen Turbinenstufen folgen (vgl. Fig. 4), die eine schnelle Expansion des Gases mit einem hohen hydraulischen Wirkungsgrad, der von einem Temperaturabfall begleitet ist, bewirken. Bei einer zweiten Methode (vgl. Fig. 3a) kann ein kaltes Gas oder eine Flüssigkeit nach der letzten Stufe des Reaktors oder zwischen den letzten Stufen eingespritzt werden, wobei die schnelle Abkühlung der Reaktionsprodukte erzielt werden kann durch übertragung der Reaktionswärme und/oder latenten Wärme auf das eingespritzte Fluid bzw« Flüssigkeit.

Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für die endotherme nicht-katalytische Umwandlung und speziell für die Herstellung von Olefinen aus einer Vielzahl-von Ausgangsmaterialien innerhalb des Bereiches von Äthan bis Gasöl, wobei nur die Zusammensetzung des aus dem Reaktor kommenden Abstromes mit der Art des Ausgangsmaterials variiert. Äthan liefert bei den üblichen Umwandlungsgraden von 55 bis 65 % beispielsweise nur 5 % schwerere Nebenprodukte, während bei Verwendung von Naphtha neben Äthylen größere Mengen an Butylenen und Butadien und außerdem Propylen, Benzin und etwas Treiböl erhalten werden. Alle diese Ausgangsmaterialien können auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiel T

Es wurden Tests durchgeführt zur thermischen Crackung von Propan, das mit Stickstoff verdünnt war, unter Verwendung einer Anlage, wie sie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Bei dieser Anlage wird ein Strom aus hochreinem Propan (99,9 %), der aus einem Behälter (l) stammt, mit einem Strom aus reinem Stickstoff (Maximum an Verunreinigungen 50 ppm), der aus dem Behälter (2) stammt, gemischt. Das Molverhältnis von Propan zu Stickstoff in der Mischung wird eingestellt durch unabhängiges Variieren der Strömungsgeschwindigkeit beider Ströme. Die so erzeugte Mischung wird durch die Trommel (3) zirkuliert, die dazu dient, die aerodynamische Oszillation des Systems zu dämpfen. Die Mischung aus der Trommel (3) wird in dem Vorerwärmer (4), der einen Propanbrenner (5) und ein Heizöl (6) in einem Gehäuse (7) umfaßt, vorerwärmt. Der Propantreibstoff für den Brenner stammt aus einer nicht dargestellten Propanquelle. Die auf eine Temperatur vorerwärmte Mischung, bei welcher die Reaktionsgeschwindigkeit vernachlässigbar gering ist, gelangt in den Reaktor (8), der aus einem 1-Zylinder-Motor mit variablem Kompressionsverhältnis vom CFR-Typ besteht, der zum Testen der Klopfeigenschaften von Treibstoffen bestimmt ist, der hier als Reaktor vom Kolben-Typ, wie vorstehend beschrieben, verwendet wird. Der Motorzylinder wird mit Kühlwasser gekühlt, das bei einer Durchschnittstemperatur von 50 C gehalten Wird. Die Motorwelle (9) wird mittels eines Elektromotors (lO) mit einer Geschwindigkeit von 1870 UpM angetrieben. Das Temperaturprofil, dem das Gas während eines Cyclus folgt,

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kann aus dem Massen- und Energiegleichgewicht entlang des Cyclus errechnet werden und es ist für den Versuch Nr. 1 in der Fig. 1 angegeben (vgl. Tabelle i). Die Reaktion beginnt an dem Punkte A vor dem oberen Totpunkt und endet etwa 0",0045 Sekunden später an dem Punkt C. Das Reaktionsprodukt wird in die Produktleitung abgezogen, aus der eine Probe entnommen und für die Analyse gekühlt werden kann. Die Analysenergebnisse in Abhängigkeit von den in der Tabelle I angegebenen Betriebsbedingungen sind in der Tabelle II zusammengefaßt.

Tabelle I

Versuch

Motor

N₂-Strom

C₃H₈- Ein-

(kg/Std.) Strom

(kg/
Std.)

Auslaß-Te mp. (°)

Kompres- Ein- Spitzen- Gesion laß- gesamt- schwin druck druck digkei (Bar abs.)(Bar abs.) (UpM)

18.7
17.8
20.2
20.8
20.5

0.174 408

0.176 386

0.173 362

0. 172 340

0.171 316

196 192 182 176 170

15
15
15
15
15

1.4
1.4
1.3
1.4
1.4

36.7
34.2
37.9
39.1
37.9

1870 1870 1870 1870 1870

somt/om

α» ο 10, 00. 00» **► .	^H2	MW	1	Tabelle II	3	4	5
	CO	2.016	83.8% MOL.%		76.6% MOL. %	68.5% MOL.%	55.6% MOL.%
	Co₂ ν	28.010	26.164	2	24.457	22.215	20.071
VeÄüch Nr.	CH₄	44.010	0.022	77.1% MOL. %	0.024	0.020	0.027
Umwandlung ,Komponente	^C2^H6	16.042	0.127	24.142	0.976	0.047	0,889
Kohlenwasser?r	C₂H₄	30.068	20.367	0.075	18.294	17.073	14.222
Kohlenmonoxid	^C2^H2	28.052	1.791	0.031	2.846	3.214	3.111
Kohlen-dioxid	^C3^H8	26.036	31.036	19.121	29.677	28.120	23.111
Methan	^C3^H6	44.094	7.013	2.508	4.472	3.348	2.133
Äthan	^C3^H4	42.078	7.685	30.405	12.033	17.408	27.289
% thylen	^C4^H10	40.062	■ 3.730'	4.953	5.204	6.561	7.556
Acetylen	^C4^H10	58.120	0.366	11.660	0.350	0.301	0.302
Propan	^C4^H8	58.120	0.015	5.078	0.016	0.027	—'
Propylen	^C4^H8	56.104	0.024	0.357	0.016	0.027	—
Propadien	^C4^H8	56.104	0.216		0.406	0.502	0.658
i-Butan	^C4^H6	56.104	0.011	—	0.041	0.040	—
n-Butan		54.088	0.027	0.364	0.049	0.040	——
1-Buten'	^C5^H12	40.062	0.642	0.030	0.545	0.536	0.427
trans-2-Buten ^%	^C5^H12	72,146	0.709	0.023	0.594	0.522	0.276
0X3-2--Buten,		72.146	0.009	0.627	—	__	0.072
1,3-Butadien·			0.046	0.627	—	—	——
Methylacetylen			100.000	—	100.000	100.000	100.000
i-Pentan				—
n-Pentan			100.000
insgesamt

CD O O

Aus den vorstehenden Daten geht hervor, daß bei Verwendung eines Reaktors vom Kolben-Typ tatsächlich eine hohe Umwandlung bei hohen Temperaturen und bei kurzer Verweilzeit erzielt werden kann. Die unter diesen Bedingungen durchgeführte Crackung von Propan ist jedoch nicht wirtschaftlich attraktiv, obgleich dieses Verfahren fUr andere Reaktionen attraktiv sein kann. Die oben angegebenen Versuche wurden durchgeführt als Simulation des in dem nachfolgenden Beispiel beschriebenen Verfahrens, das eine der attraktivsten praktischen Anwendungen der vorliegenden Erfindung repräsentiert.

Beispiel 2

Zum Cracken eines großen Durchsatzes von Propan unter den Bedingungen, wie sie in der in Beispiel 1 beschriebenen Anlage simuliert wurden, wird ein in der Fig. 7 schematisch dargestelltes Reaktorsystem verwendet. Es wird ein Reaktor vom axialen Energieumwandlungs-Typ verwendet, wie er in Fig. 8 schematisch dargestellt ist. Er besteht aus einem Gehäuse (i), das mit einer Reihe von 44 Stufen von geraden stationären Flügeln (2) ausgestattet ist, die in axialer Richtung angeordnet sind, wobei jede Stufe 100 Flügel umfaßt. Innerhalb des Gehäuses ist drehbar ein Rotor mit einem Durchmesser von 1,4 m befestigt, der aus einem Rotorkörper (3) besteht, der mit 43 Stufen von geraden Rotationsflügeln (4) versehen ist, die gegenüber der axialen Richtung schwach geneigt sind, um eine schwache Kompression des Reaktionsgases zu erzielen, wobei jede Stufe 100 Flügel umfaßt. Der Reaktor ist bestimmt für die Verarbeitung von 2,8 kg/Sekunde Propan. Die Tatsache, daß während der Simulierung keine Koksbildung beobachtet werden konnte, ist ein Anzeichen dafür, daß durch die kurze Reaktionszeit und die Vakuumbedingungen die Koksbildung unterdrückt wird und deshalb kein

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VerdUnnungs-Wasserdampf erforderlich ist. Die offene Flache απ

2
dem Reaktoreinlaß beträgt 0,115 m bei einer Flügelhöhe von

26 mm und an dem Reaktorauslaß beträgt die offene Fläche 0,082 m bei einer Flügelhöhe von 19 mm. Die Länge der Vorrichtung beträgt 2,58 m.

Das Temperatur- und Druckprofil, dem die Reaktanten folgen, ist in der Fig. 9 dargestellt. Das Gas strömt in axialer Richtung mit einer Geschwindigkeit von 500 m/Sek., wobei die Tangentialgeschwindigkeit der Rotationsflügel 450 m/Sek. beträgt. Die Energieumwandlung (der Energieverlust) pro Stufe ist konstant und beträgt 280 kW, wobei die von dem Reaktor absorbierte Gesamtwellenenergie

12 030 kW beträgt bei einer Rotorgeschwindigkeit von 6000 UpM. Die Propanbeschickung tritt mit 650 C und 0,1 Bar absolut bei A in den Reaktor ein. In dem Bereich A-B ist die Reaktionsgeschwindigkeit niedrig und die Energiezufuhr führt zu einer Temperaturerhöhung. In dem Bereich B-C steigt die Reaktionsgeschwindigkeit an und die Neigung nimmt ab durch die erhöhte Reaktionsenthalpie. In dem Bereich C-D ist die Reaktionsenthalpie etwa gleich der Energiezufuhr, was zu einem nahezu konstanten Temperaturprofil führt. In dem Bereich D-E steigt die Anzahl der endothermen Reaktionen, die auftreten, an als Folge der Zunahme der Konzentration der Reaktionsprodukte und deshalb ist die Reaktionsenthalpie größer als die Energiezufuhr, was zu einer Temperaturabnahme führt. An dem Punkt E, der dem ReaktorflUgelauslaß entspricht, wird Kühlwasser eingespritzt, was zu einem scharfen Temperaturabfall E-F führt. An dem Punkt F ist die Reaktion praktisch beendet, das Kühlen wird in dem Bereich F-G fortgesetzt. Das Gas wird

bei 700 C und 0,4 Bar absolut bei H aus dem Reaktor abgezogen in einen konventionellen Mantel- und Rohrwärmeaustauscher, in dem das Gas auf 320°C weiter abgekühlt wird.

Dieser Reaktor ist auf wirtschaftliche Weise in das in Fig. 7 dargestellte Schema integriert. Die Propanbeschickung von 100 C und 20 Bar absolut wird in der SchlangeC-2 eines konventionellen Konvekfionsabschnittes (i) auf 600 C vorerwärmt und dann in dem Beschickungsexpander (2) bis auf 0,3 Bar absolut und 440 C expandiert. Dieser Strom wird in der SchlangeC-1 weiter auf 640 C vorerwärmt und bei einem Druck von 0,1 Bar absolut in den Reaktor

(3) (in der Fig. 8 schematisch dargestellt) eingeführt. Die Reaktionsprodukte verlassen den Reaktor bei 700 C und 0,4 Bar absolut und werden dann in dem Mantel des Abschreckungskühlers

(4) weiter abgekühlt. Der Abstrom auf dem Abschreckungskühlter wird von 0,3 Bar absolut und 320 C auf 1,1 Bar absolut und 456 C komprimiert durch den Kompressor (5), der durch den Beschickungsexpander (2) angetrieben wird. Der Reaktorabstrom wird dann in die konventionelle Trenneinheit der Anlage eingeführt.

Der Reaktor wird durch eine konventionelle Gasturbine (6) angetrieben. Ein Teil des Gasturbinenabgases, das reich an Sauerstoff ist, wird in dem Brenner (7) auf 1200 C vorerwärmt und für die Hochtemperatur-Energierückgewinnung in dem Konvektionsabschnitt (l) verwendet. Der Rest des Gasturbinenabgases wird für die Niedertemperatur-WärmerUckgewinnung in dem Konvektionsabschnitt (i) verwendet. Sowohl in der Gasturbine als auch in dem Brenner wird ein konventioneller fossiler Treibstoff (z.B. Erdgas, wobei in diesem Falle der kombinierte Treibstoffverbrauch 3300 kg/Std.

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betrögt) verwendet. Durch Herunterkühlen des Abgases auf 230⁰C in dem Konvaktionsabschnitt (T) und durch Kühlen des Reaktorabstroms in dem AbschreckungskUhler (4) werden 28 000 kg/Std. Hochdruck-Wasserdampf (82 Bar absolut, 295 C) erzeugt.

Die Reaktion findet in dem Bereich BCDEF (vgl, Fig. 9) innerhalb van 0,0045 Sekunden statt. Die Temperatur- und Druckprofile sind ähnlich denjenigen, die während der Simulation, die in Beispiel T erläutert wurde (vgl. Fig. 6}, erhalten werden» Es ist daher zu erwarten, daß ähnliche Ausbeuten erhalten werden, wie sie in der Tabelle III für eine 83,2 /ö~ge Propanumwandlung angegeben sind. In der Tabelle III sind die in konventionellen Crackungsäfen erhaltenen Ausbeuten angegeben* die eine Beurteilung der Zunahme des Leistungsvermögens erlauben, die durch den neuen Reaktortyp erzielt wird« Daraus ist zu ersehen, daß der Abstrom aus dem neuen Reaktor, der unter den für die Erfindung spezifischen Bedingungen betrieben

wird, reicher an Acetylen und Äthylen ist als der Abstrom eines konventionellen Crackungsafens_r in dem Propan als Ausgangsmaterial verwendet wird.

Tabelle III

Abstrotis aus einem kon ventionellen Crackungs- ofen	1.3. Gew.-Ji	Abs tr out axialen Typ	aus des Reaktor vom EnergieuBwandlungs-
^H2	22.2		2.5 Gew.-%
%	0.7		15.7
C₂H₂	32.0		8.7
C₂H₄	4.4		41.8
C₂H₆	14. i		2.7
C₃E₆	IS. 2		9.7
^C3^H8	3.0		16.2
^C4	6.1		2.5
^C5+	iosgesaBfclOO.O		0.2
Beispiel 3		100.0

Äthan_f das als Nebenprodukt in einer Raffinerie erhalten wird und eine Temperatur von 100 C hat und {inter einen Druck van 10 Bar steht fr wird in ein Reaktorsyste« eingeführt, wie es in Fig. 10 scheeatiscft dargestellt ist, in dem es zuerst auf "übliche Meise varerwanet wird. Auf diese Meise erhält natt einen Gasstro«, der in den Reaktor einströmt, der eine Temperatur von etwa 600°C und einen Druck vonr etwa· 0*2 Bar absolut hat.

0er Reaktor absorbiert 9483 kW Wellenenergie; diese Energie wird

einerseits zugeführt durch eine Antriebsvorrichtung, die 7710 kW liefert, und andererseits durch zwei Expansionsturbinen für die Beschickung, die ebenfalls mit dem Reaktor gekoppelt sind, die jeweils 942 kW und 743 kW zuführen, und durch die Kombination aus einer Expansionsturbine für den Abstrom und einem Produktkompressor, die zusammen 85 kW liefern (1132 kW, die in der Expansionsturbine für den Abstrom erhalten werden, abzüglich 1047 kW, die in dem Produktkompressor verwendet werden).

Bei der Antriebsvorrichtung, die 7710 kW liefert, handelt es sich vorzugsweise um eine Gasturbine; eine solche Turbine liefert eine gute Ausbeute wegen der direkten Kopplung mit dem Reaktor, während

die Abgase zum Vorerwärmen des Äthans dienen können. Der Turbinenreaktor vom axialen Kompressor-Typ wie er hier angewendet wird, ist ein 30 Stufen-Kompressor mit 75 bis 85 Flügeln pro Stufe, der sich mit etwa 6000 UpM dreht und eine axiale Gasgeschwindigkeit von 100 m/Sekunde ergibt. Dieser Kompressor hat eine Gesamtlänge von etwa 2,4 m (Länge pro Stufe 80 mm), so daß die Verweilzeit 2,4/ 100 = 0,024 Sekunden beträgt.

In diesem System ergeben die Expansionsturbinenstufen, die auf die Kompressionsstufen in dem Reaktor folgen, eine schnelle Abkühlung des Reaktorabstromes einerseits und durch die zurückgewonnene Arbeit ist es möglich, die Gesamtwärmemenge, die in die Gasturbine eingeführt werden muß, zu begrenzen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Steuerung der Reaktionsenthalpie von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase, dadurch g e k e η η zeichnet , daß man mechanische Energie in Form von Arbeit/ die von sich bewegenden Oberflächen im Kontakt mit den Reaktanten geleistet wird, dazu verwendet, die Energie der gasförmigen Reaktanten zu erhöhen oder zu erniedrigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der mechanischen Energie um die Energie der adiabatischen Kompression und/oder Expansion des Reaktionsgases handelt.

8Ο98&4/Ο884

ORIGINAL INSPECTED

3* Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas durch die Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder adiabatisch komprimiert und/oder expandiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gas durch die Bewegung der RotationsflUgel einer Kompressorturbine vom axialen Typ adiabatisch komprimiert und/oder expandiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine endotherme Reaktion mechanische Energie durch die Bewegung der RotationsflUgel eines Rotationsmotors vom axialen Typ adiabatisch in Wärme im Innern des Gasvolumens umgewandelt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reaktor (Reaktionsgefäß) einen Verdrängungsmotor verwendet.

7. Vorrichtung zur Durchführung von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reaktor (Reaktionsgefäß) eine Vorrichtung vom axialen Kompressor/Turbinentyp verwendet.

8. Vorrichtung zur Durchführung von schnellen chemischen Reaktionen in homogener Gasphase, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reaktor (Reaktionsgefäß) einen Rotationsmotor vom axialen Typ verwendet, dessen Flügel (Schaufeln) so konstruiert sind, daß die mechanische Energie der sich im Innern des Gasvolumens bewegenden Flügel adiabatisch zerstört (umgewandelt wird), was zu einer Zunahme

der Enthalpie führt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die letzten Stufen des Reaktors Turbinenstufen sind, welche die Reaktion abkühlen.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Einführung eines Kuhlfluids bzw. einer Kühlflüssigkeit am Auslaß des Reaktors oder zwischen den letzten Stufen.

11. Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffen, bei dem man eine Kohlenwasserstoffphase, gewünschtenfalls nach dem Verdünnen mit einem inerten Verdünnungsmittel, auf eine Temperatur unmittelbar unterhalb der Reaktionstemperatur vorerwärmt, dann auf Reaktionstemperatur erwärmt und chemisch umwandelt und den Abstrom schnell abkühlt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohlenwasserstoffphase auf die Reaktionstemperatur erhitzt und sie in einem Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 10 chemisch umwandelt.

80988W08S;