The BASF-process for production of acetylene by partial oxidation of gaseous hydrocarbons

The growing demand for acetylene and the increasing availability of methane made it desirable to open ways for transforming methane to acetylene. By thermodynamical calculation it was found that: Methane has to be brought to high temperatures; A great reaction-enthalpy has to be brought in; The reaction mixture has to be quenched fast enough to preserve the acetylene formed from decomposition into carbon and hydrogen. An advantageous way to bring in the reaction-enthalpy seemed to be a coupling of the endo-thermic reaction with an exothermic oxidation process. In order to quench the acetylene formed fast enough the reaction had to be in the form of a flame reaction of pre-mixed gases. The chemical-engineering problem was: To mix hydrocarbon and oxygen preheated to ~ 600°C while preventing the stabilization of a flame at the point of mixing; To bring the mixture to the reaction zone without any premature reactions; To stabilize a stationary flame at the entrance of the reaction zone; To concentrate the flame zone in a small space in order to cool the reaction mixture by injection of water after a residence time short in relation to the life-span of acetylene at the flame-temperature. A burner, capacity 8 tons acetylene daily, was designed for these operations. Next the acetylene formed had to be separated as pure and completely as possible from the gas mixture resulting from the flame reaction, which contained about 8½% acetylene. A wash with a selective solvent was used for that purpose. By the use of rectification columns between wash zone and degassing zone and by using a mixture of water and selective organic solvent as a working solvent it was possible to separate the burner gas by only one circuit of the solvent into acetylene of the purity needed for chemical processes, and into a stream of higher acetylene homologues containing only small amounts of acetylene, and a lean gas containing only traces of acetylene. La demande croissante d'acétylène et la production montante de méthane ont rendu désirable de trouver des moyens pour transformer le méthane en acétylène. Des calculs thermodynamiques ont prouvé que: le méthane doit être porté à haute température; une enthalpie de réaction importante doit être fornie; les produits de réaction doivent être "quenched" à une telle vitesse que la décomposition d'acétylène formée en hydrogène et carbone soit évitée. Il a paru qu'un moyen avantageux pour introduire l'enthalpie de réaction est l'accouplement de la réaction endothermique à un procédé d'oxydation exothermique. Afin de produire un "quench" rapide de l'acétylène formé la réaction devait être une réaction à flamme de gaz préalablement mélangés. Le problème de génie chimique était: de mélanger l'hydrocarbure et l'oxygène chauffe préalablement ~ 600°C, tout en évitant la stabilisation d'une flamme à l'endroit où s'opère le mélange; de parter le mélange en chambre de réaction sans qu'une réaction prématurée ait lieu; de stabiliser une flamme stationnaire à l'entrée de la chambre de réaction; de concentrer la zone de flamme dans un espace limité afin de refroidir le mélange de réaction après un temps de résidence court en comparaison du temps de vie do l'acétylène à la température de flamme par l'injection d'eau. Un brûleur d'une capacité de 8 tonnes par jour a été developpé pour ces opérations. Le problème suivant consistait à séparer l'acétylène formé aussi complètement et aussi pur que possible d'un mélange de gaz contenant 8½% d'acétylène et provenant de la réaction à flamme. A cet effet un lavage à un solvent selectif était choisi. En employant des colonnes de rectification entre la zone d'absorption et la zone de "stripping" et en utilisant comme solvant un mélange d'eau et d'un solvant organique sélectif on a réussi à séparer les gaz de réaction en un circuit du solvant en acétylène du degré de pureté exigée pour des procédés chimiques et en un courant d'homoloques élevés d'acétylène contenant seulement des traces d'acétylène et un gaz "leau" contenant seulement des traces d'acétylène. Der wachsende Bedarf an Acetylen und der steigende Anfall an Methan machten es wünschenswert, Wege zur Umwandlung von Methan in Acetylen zu finden. Thermo-dynamisehe Überlegungen zeigen, dass zur Lösung dieser Aufgabe: Methan auf hohe Temperatur gebracht werden muss; bei dieser hohen Temperatur eine grosse Reaktions-Entalpie zugeführt werden muss und das entstandene Reaktionsgemisch so schnell abgeschreckt werden muss, dass das instabile Zwischenprodukt Acetylen nicht weiter in Kohlenstoff und Wasserstoff zerfallt. Ein vorteilhafter Weg zur Einbringung der Reaktions-Entalpie schien die Kopplung der endothermen Reaktion mit einer exothermen Oxydationsreaktion zu sein. Um aber das gebildete Acetylen schnell genug abschrekeen zu können, muss die Reaktion in der Form einer Flamme vorgemischter Gase ablaufen. Die verfahrenstechnische Aufgabe bestand darin, die Ströme von getrennt auf etwa 600°C vorgewärmtem Kohlenwasserstoff und von Sauerstoff zu mischen und dabei zu verhindern, dass sich an der Mischstelle eine Flamme bildet; das reaktionsfähige Gemisch an die dafür vorgesehene Reaktionsstelle zu leiten, ohne dass eine Vorreaktion eintritt; beim Eintritt in den Reaktionsraum eine stationäre Flamme zu stabilisieren; die Flammenzone räumlich so zusammenzudrängen, dass das Reaktionsgemisch nach einer mittleren Verweilzeit, die klein ist gegenüber der Lebenszeit des gebildeten Acetylens bei der Flammentemperatur, durch Einspritzen von Wasser abgeschreckt werden kann. Diese Aufgaben wurden für einen Reaktor, der eine Kapazität von 8 t Acetylen pro 24 Stunden hat, gelöst, Die nächste Aufgabe bestand darin, aus dem bei der Flammenreaktion anfallenden Gasgemisch, das etwa 8,5 % Acetylen enthält, das Acetylen möglichst vollständig und möglichst rein abzutrennen. Hierfür wurde die Wäsche mit einem selektiven Lösungsmittel gewählt. Durch Einschalten von Rektifikationszonen zwischen Waschzone und Ausgasungszone und durch Verwendung eines Gemisches von Wasser und einem selektiven organischen Lösungsmittel als Arbeitslösung gelang es, in einem Umlauf der Arbeitslösung das Abgas des Brenners in ein praktisch acetylenfreies Armgas, in Acetylen solcher Reinheit, wie es für chemische Synthesen benötigt wird, und in einen Strom höherer Acetylen-Homologen, der nur unbedeutende Mengen Acetylen enthält, zu trennen.