DE1046605B

DE1046605B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung ungesaettigter Kohlenwasserstoffe

Info

Publication number: DE1046605B
Application number: DEN11144A
Authority: DE
Inventors: Edward Morgan Hughes; Alfred H Howland; Pieter Grootenhuis
Original assignee: NAT RES DEV; National Research Development Corp UK
Current assignee: NAT RES DEV; National Research Development Corp UK
Priority date: 1954-09-03
Filing date: 1955-09-02
Publication date: 1958-12-18
Also published as: BE541035A; CH339196A; GB819784A; US2870231A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe Wie bereits früher gezeigt wurde (britische Patentschrift 711 208), läßt sich das Verfahren zur Herstellung von Acetylen und anderen ungesättigten E40hlenwasserstoffen, z. B. Äthylen, durch teilweise Verbrennung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes mit Luft oder Sauerstoff unter Pyrolyse und/oder Cracken des überschüssigen Kohlenwasserstoffes und Kühlen der gasförmigen Reaktionsprodukte, die unter diesen Bedingungen anfallen, beträchtlich verbessern, wenn das Kühlen so durchgeführt wird, daß man die gasförmigen Reaktionsprodukte in einer Gasturbine expandieren läßt, wobei sie mechanische Arbeit leisten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrielltung zur Herstellung von Acetylen oder anderen ungesättigten Kohlenwasserstoffen unter Verwendung einer Gasturbine.
Voraussetzung für das Verfahren ist. daß der Kohlenwasserstoff und das Oxydationsmittel getrennt vorerhitzt werden und dann gemeinsam in einer Verbrennungskammer zur Reaktion gebracht werden, wobei der Kohlenwasserstoff im Überschuß über die zur völligen Verbrennung mit Luft oder Sauerstoff notwendige Menge vorhanden sein muß; die Verbrennungswärme verursacht dann eine Pyrolyse oder ein Cracken des überschüssigen Kohlenwasserstoffes.
NIan muß dafür sorgen, daß die Gase eine kurze, jedoch genau definierte Zeitspanne, die als »Verweilzeit« bezeichnet sei, bei dieser hohen Temperatur bleiben, worauf sie dann so schnell wie möglich auf eine Temperatur nicht höher als 20QO C gekühlt werden. Das Kühlen kann ganz oder teilweise in einer Gasturbine erfolgen, Aus obigem folgt, daß die für die Verbrennung benutzte Verbrennungskammer folgende Anforderungen zu stellen sind: 1. Sie muß zur stabilen Verbrennung der benötigten sehr reichen Gemische fähig sein.
2. Die Verbrennung muß in einem sehr kurzen Zeitraum verlaufen.
5. Der Brenner muß gleichmäßig mit vorgewärmten Zufuhrmengen an Kohlenwasserstoffbrennstoff und Sauerstoff arheiten.
4. Der Wärmeverlust während der Verweilzeit in der Verbrennungskammer muß gering sein.
5. Die Durchsatzmenge an Gas muß hoch genug sein, um den Anforderungen der Turbine zu genügen.
6. Die Verbrennung muß stabil, d. h. gleichmäßig sein, wenn die Verbrennungskammer unter Druck bzw. unter Druckschwankungen arbeitet.
Es wurde versucht, die unter 2 aufgeführte Anforderung zu erfüllen, indem man einen Brenner benutzte, in welchem die reagierenden Stoffe vor ihrem Eintritt in die Verbrennungskammer gemischt werden. Dies bringt jedoch eine Beschränkung auf den gerade noch tragbaren Vorwärmgrad mit sich und beeinträchtigt außerdem die Gleichmäßigkeit der Verbrennung, insbesondere bei Druckschwankungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Acetylen und anderen ungesättigten Kohlenwasserstoffen durch unvollkommene Verbrennung flüssiger oder gasförmiger Kohlenwasserstoffbrennstoffe mit Luft oder Sauerstoff unter Temperaturbedingungen, die zum Cracken und/oder zur Pyrolyse des überschüssigen Kohlenwasserstoffes führen, wobei die Verbrennungsprodukte rasch gekühlt werden. Die Vorrichtung umfaßt eine Verbrennungskammer und eine Brennstoffdüse zum Einspritzen eines Strahles von Kohlenwasserstoffbrennstoff in die Verbrennurlgskammer, ferner ein Prallelement, das derart angeordnet ist, daß es dem Strahl entgegensteht und hierdurch den Brennstoff zu einem dünnen Film ausbreitet, sowie Verteilereinrichtungen zur Zufuhr von Luft und Sauerstoff zu dem dünnen Brennstoffilm zwecks dessen Verbrennung und Einrichtungen zum Abziehen der Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer.
Zwecks Erzeugung von Acetylen müssen die Verbrennungsprodulite rasch abgeschreckt werden, und zur Durchführung dieses raschen Abschreckens ist vorzugsweise an die Verbrennungskammer eine Gasturbine angeschlossen, worin die Verbrennungsprodukte einer adiabatischen Expansion unterworfen werden können, die zu ihrer raschen Kühlung führt.
Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform stellen die dem dünnen Brennstoffilm Luft oder Sauerstoff zuführenden Verteilereinrichtungen eine Mehrzahl von Einlaßöffnungen dar, welche die Wand der Verbrennungskammer an um die Düse verteilten Stellen durchbrechen und in Verbindung stehen mit einer außerhalb der Kammer angeordneten Sammelleitung. Die Achsen der Öffnungen können parallel laufen mit derjenigen der Düse, oder sie können leicht nach innen dazu geneigt sein. Gegebenenfalls kann eine einzige, die Düse ringförmig umgebende Einlaßöffnung vorgesehen sein.
Die Verbrennungskammer ist vorzugsweise eine in Achsenrichtung kurze zylindrische Kammer, auf deren Achse die Brennstoffdüse und das Prallelement angeordnet sind, wobei zweckmäßigerweise die Fläche des Prallelements verhältnismäßig klein ist gegenüber der Ouerschnittsfläche der Verbrennungskammer.
Die Einrichtungen zur Abführung der Verbrennungsprodukte umfassen vorzugsweise eine ringförmig unterteilte Auslaßöffnung, die das Prallelement umgibt und das Innere der Verbrennungskammer mit einer Sammelleitung für die Verbrennungsprodukte verbindet. Eine solche Auslaßöffnung kann beispielsweise in Form von mehreren Einzelauslässen oder in Form eines einzigen Auslasses von Ringform in der Wand der Kammer vorgesehen sein.
Wird als Kühleinrichtung für die Verbrennungsprodukte eine Gasturbine mit axialer Beaufschlagung benutzt, so ist die Sammelleitung für die Verbrennungsprodukte zweckmäßigerweise von ringförmigem Querschnitt, wobei sich der Ringdurchmesser von der Auslaßöffnung zu der Auslaßdüse hin laufend verkleinert, um eine konvergierende Fiihrung der Verbrennungsprodukte zu erreichen. Bei einer bevorzugten Durchführungsform ist eine Sammelleitung vorgesehen, die sich in Form eines Zwischenraumes zwischen einem konischen Körper und einer ebenfalls konischen Verlängerung der Verbrennungskammer selbst verstreckt, wobei dann das Prallelement die Form eines zylindrischen Vorsprunges besitzt, der in der Mitte der Basis des konischen Körpers angeordnet ist.
Das so erreichbare rasche und wirkungsvolle Zwischen des Kohlenwasserstoffes und des sauerstoffhaltigen Gases innerhalb der Verbrennungskammer macht ein Vormischen dieser Stoffe völlig überflüssig.
Bei der Vorrichtung kann daher ein Vorwärmer für einen oder für beide Stoffe vorgesehen sein, wodurch der Wirl;ungsgrad der Reaktion vergrößert und zu gleich vermieden-wird, daß die Verbrennung ungleichmiß ig wird, selbst wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Flamme niedriger ist als die Geschwindigkeit der verschiedenen Gase. Die einzige Grenze für die Vorwärmtemperatur ist dabei gegeben durch virtschaftliche Gesichtspunkte, die das Verfahren als Ganzes betreffen, und durch die Möglichkeit, daß der Nohlenwasserstoffbrennstoff bereits in der Vorwärmeinrichtung gecrackt werden könnte.
Die Verbrennungskammer und das Prallelement können aus hitzebeständigem Material, aus hitzebeständig überzogenem Metall oder aus einem entsprechend gekühlten Metall bestehen, wobei die Kühlung gegebenenfalls durch Wärmeaustausch eines oder beider Reaktionsmittel erfolgen kann.
Ein Merkmal der Verbrennungskammer besteht darin, daß sie zu einer sehr großen Gleichförmigkeit (Stabilität) über einen breiten Bereich von Mischungsverhältnissen und Drücken führt. So wurden beispielsweise Propan und Luft in einem Volumenverhältnis von 1:120 als Grenze für ein armes Gemisch und 1:1,45 als Grenze für ein reiches Gemisch verbrannt. Für Methan und Sauerstoff ist ein vollkommen gleichmäßiges, stabiles Arbeiten in einem Bereich möglich, bei dem das Volumenverhältnis von Methan zu Sauerstoff zwischen 2,61:1 und 1,3 :1 liegt; dieser Bereich entspricht demjenigen, der im allgemeinen beim Cracken von Kohlenwasserstoffen in der Gasturbine als Arbeitsbereich gilt. Die Verbrennungskammer arbeitet nachgewiesenermaßen innerhalb dieses Bereiches stabil bis zu Drücken von 5 Atmosphären.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen aus gesättigten Kohlenwasserstoffen durch Pyrolyse oder Cracken gesättigter Kohlenwasserstoffe durch partielle Verbrennung in der oben beschriebenen Vorrichtung.
Im folgenden werden an Hand der Zeichnung zwei bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Verbrennungskammer, die mit einer Gasturbine mit radialem Zufluß zusammenarbeitet; Fig. 2 zeigt im Längsschnitt eine zum Gebrauch bei einer Turbine mit axialem Zufluß bestimmte Verbrennungskammer.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird die Verbrennungskammer begrenzt durch die aus Kreisflächen ausgebildeten Wände 1 und 2, die, wie dargestellt, innerhalb eines Zylinderrohres 3 angeordnet sind. Eine Brennstoffleitung 4, die in eine Düse 5 ausläuft, führt axial durch den Mittelpunkt der Wand 1.
An der Wand 2 ist ein zentral entgegenstehendes Prallelement 6 ausgebildet. Eine Anzahl von Einlaßkanälen 7, die die Wand 1 um die Brennstoffleitung herum in auf die Kammerachse zu laufender Richtung durchdringen, dient der Verteilung eines sauerstoffhaltigen Gases, das über die von der Leitung9 gespeiste Sammelleitung 8 dem dünnen Brennstoffilm zugeführt wird, der durch den aus der Düse 5 austretenden und auf das Prallelement 6 auftreffenden Brennstoffstrahl gebildet wird. Eine Austrittsöffnung in Form von mehreren radialen Auslaßlöchern 10 steht in Verbindung mit einer Sammelleitung 11 für die Verbrennungsprodukte, die durch das Rohr 3, ein koaxial damit angeordnetes Rohr 12 und die ringförmigen Endplatten 13 und 14 begrenzt wird. Ein Rohr 15 dient zur Weiterleitung der Verbrennungsprodukte aus der Sammelleitung zu einer Turbine mit radialer Beaufschlagung, wie sie schematisch als T angedeutet ist.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 2 wirken die Teile einer Verbrennungskammer 20, nämlich ein zylindrischer Teil 20 und ein koaxialer konischer Körper 25 zusammen, um eine ringförmige Auslaßöffnung24 und eine konvergierende Sammelleitung 25 für die Verbrennungsprodukte zu bilden, welche die Öffnung 24 mit einer Auslaßdüse 21 verbindet, die ihrerseits mit einer schematisch bei 27 angedeuteten Gasturbine mit axialem Aufschlag zusammenwirkt. Die Teile 4, 5, 6, 8 und 9 entsprechen den Teilen gleicher Bezugszeichen der Vorrichtung nach Fig. 1.
Bei der partiellen Verbrennung unter Pyrolyse bzw.
Cracken der Kohlenwasserstoffe enthalten die in der Verbrennungskammer nach Fig. 1 oder 2 gebildeten Verbrennungsprodukte genügende Mengen an ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
Beispiel 1 In einer Vorrichtung, die im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform entsprach, wurden handelsübliches reines Propan und handelsüblicher reiner Sauerstoff im Verhältnis von 0,9 :1 ohne Vorwärmung in einem Probeversuch verbrannt.
Die Reaktionsprodukte wurden mit Wasser abgelöscht. Sie hatten folgende Zusammensetzung: Acetylen ................. 9,0 Volumprozent Äthylen .................. 8,5 Kohlendioxyd ............ 3,5 Sauerstoff . . . . . . . . . . . . . . . . 1,0 Wasserstoff .............. 50,0 Kohlenmonoxyd .......... 23,0 Rest (bestehend hauptsächlich aus gesättigten Kohlenwasserstoffen) ....... 5,0 100,0 Volumprozent Beispiel 2 In einer Vorrichtung, die im wesentlichen der Fig. 2 entsprach, wurden Methan und Sauerstoff in einem Volumenverhältnis von 1,65 :1 unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 partiell verbrannt. Das verwendete Methan enthielt 7,5°/o Stickstoff und 7,09/o Kohlendioxyd. Die aus der Verbrennungskammer abgezogenen Reaktionsprodukte hatten die folgende Zusammensetzung: Acetylen ................. 3,4 Volumprozent Kohlendioxyd ............ 6,0 Sauerstoff 1,5 Wasserstoff .............. 56,3 Kohlenmonoxyd .......... 25,5 Rest (bestehend hauptsächlich aus etwas Methan, höheren ungesättigten Kohlenwasserstoffen und etwas freiem Kohlenstoff) 7,3 100,0 Volumprozent Die Verweilzeit für das Reaktionsgemisch betrug 20 bis 50 Millisekunden; die Verweilzeit ist diejenige Zeit, die das Gemisch braucht, um die Verbrennungskammer bei Normaltemperatur und Normaldruck zu durchlaufen.
Es sei bemerkt, daß, obwohl der Einfachheit halber hier die auf das Prallelement gerichtete Düse als Brennstoffdüse bezeichnet und die Verteilereinrichtungen so dargestellt sind, daß sie die Funktion haben, dem dünnen Flüssigkeitsfilm Luft und Sauerstoff zuzuführen, die Funktionen dieser beiden Strukturelemente auch vertauscht werden können. So kann die Vorrichtung erfolgreich arbeiten, wenn Luft und Sauerstoff durch die Düse zugeführt und zu einer dünnen Schicht verteilt werden, auf die der Brenn- stoff durch die Verteilereinrichtungen aufgebracht wird.

Claims

PATENTANsPRÜcHE: 1. Verfahren zur Herstellung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, insbesondere von Acetylen, durch unvollständige Verbrennung gasförmiger gesättigter Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff oder Luft, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Kohlenwasserstoffstrahl in einer Verbrennungskammer durch Auftreffen auf ein Prallelement in einen dünnen, radial auseinanderstrebenden Kohlenwasserstoffilm umwandelt, der mit getrennt zugeführtem Sauerstoff bzw. Luft partiell verbrannt wird, und daß man die heißen Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer abzieht und abschreckt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die heißen Verbrennungsprodukte durch adiabatische Ausdehnung in einer Gasturbine abschreckt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verweilzeit der Reaktionsteilnehmer in der Verbrennungskammer auf 20 bis 50 Millisekunden einstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kohlenwasserstoff und/oder den Sauerstoff bzw. die Luft vor der Einführung in die Verbrennungskammer vorwärmt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine in Achsenrichtung kurze, zylindrische Verbrennungskammer, eine Düse zum Einspritzen von Kohlenwasserstoff, ein Prall element, das den Brennstoff zu einem dünnen Film auseinanderzieht, Einrichtungen für die Zufuhr und Verteilung von Sauerstoff bzw. Luft über den Brennstoffilm und Einrichtungen zur Abführung der Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Prallelements verhältnismäßig klein ist gegenüber der Querschnittsfläche der Verbrennungskammer.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich unmittelbar hinter dem Auslaß der Verbrennungskammer eine Turbine zum Abschrecken der heißen Verbrennungsprodukte befindet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die Zufuhr und Verteilung von Sauerstoff bzw. Luft aus mehreren rund um die Düse angeordneten Einlaßkanälen bestehen, die mit einer außerhalb der Verbrennungskammer angeordneten Sammelleitung in Verbindung stehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle leicht nach innen gegen die Düse geneigt sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr- und Verteilereinrichtungen einen die Düse ringförmig umgebenden Spalt darstellen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ableitung der Verbrennungsprodukte aus einer Austrittsöffnung in Form von mehreren radialen Auslaßlöchern oder einem ringförmigen Auslaßkanal bestehen, der das Prallelement umgibt und die Verbrennungskammer mit einer Sammelleitung für die Verbrennungsprodukte verbindet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelleitung einen ringförmigen Querschnitt aufweist, wobei sich der Ringdurchmesser unter Beibehaltung der Ringbreite von der Auslaßöffnung der Verbrennungs- kammer bis zu einer lochförmigen Auslaßdüse verringert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelleitung für die Verbrennungsprodukte aus einem zwischen einem konischen Körper und einer konischen Ver längerung der Verbrennungskammer gebildeten Zwischenraum besteht.