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Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Umformung von Kohlenwasserstoffen
und von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen Es besteht die Aufgabe, Kohlenwasserstoffe
und Kohlenwasserstoff e enthaltende Gase in kohlenwasserstoffarme oder kohlenwasserstofffreie
Gase umzuformen. Nach bekannten Verfahren werden zur Umformung Kohlenwasserstoffe
in W ärmeaustauschern auf eine Temperatur unterhalb ihrer Zerfalltemperatur vorgewärmt
und mit hocherhitzten Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxyd,
in hocherhitzten Reaktionsräumen, die im allgemeinen wie Regeneratoren mit einem
Gitterwerk ausgelegt sind, umgeformt.
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Das Problem bei der Umformung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffe
enthaltenden Gasen liegt in der Rußbekämpfung. Die bekannten Verfahren versuchen
zur Rußbekämpfung eine möglichst weitgehende Aktivierung von Rußverzehrreaktionen
für den bei der Spaltung der Kohlenwasserstoffe durch Koagulation von Spaltkohlenstoffatomen
oder -molekülen entstehendem Ruß. Im allgemeinen soll der Rußverzehr durch an den
Rußpartikeln angreifende Wasserdampfmoleküle bei hinreichend hohen Temperaturen
erfolgen.
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Es ist vorgeschlagen worden, zur Umformung von Kohlenwasserstoffen
mit Wälzgas in einem Teilstrom von 50% zu arbeiten. Die Vergasungsmittel werden
dabei dem Wälzgas zugesetzt, und in einer Wirbelkammer werden in das Wälzgas-Vergasungsmittel-Gemisch
flüssige Rückstandsöle als umzuformende Kohlenwasserstoffe eingeführt. Die Umformung
selbst wird dabei in einem Regenerator vorgenommen, dessen Wärmeinhalt die Reaktionswärme
decken muß. Man erhält auf diese Weise ein Produktionsgas mit über 15% Kohlenwasserstoff.
Es ist daher erforderlich, den Teilstrom des Produktionsgases, der zur Umformung
der Kohlenwasserstoffe in den Prozeß zurückgeführt wird, noch einer besonderen Behandlung
zu unterziehen, um ihn kohlenwasserstofffrei zu machen.
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Die Erfindung betrifft demgegenüber ein Verfahren zur thermischen
Umformung von Kohlenwasserstoffen und von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen
unter Verwendung von Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxyd,
welches darin besteht, daß kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur
vorgewärmte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase zusammen
mit Reaktionsmitteln in einen hocherhitzten Gasstrom eingedüst und in dem Gasstrom
durch die Reaktionsmittel und unter Deckung des Wärmebedarfs der Umformungsreaktion
aus eben dem hocherhitzten Gasstrom umgeformt werden. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren werden die Vergasungsmittel nicht dem Wälzgas zugegeben, sondern zusammen
mit dem umzuformenden Gut in den Wälzgasstrom eingeführt, wodurch der Kontakt und
die Vermischung der Vergasungsmittel mit dem Vergasungsgut verbessert und Rußbildung
unterdrückt wird. Auch geschieht die Umformung nicht in einem Regenerator, sondern
im wesentlichen in einem von Einbauten freien Raum, und der Wärmebedarf für die
Umformung wird nicht unmittelbar regenerativ gedeckt, sondern dem entsprechend hocherhitzten
und in entsprechender Menge verwandten hocherhitzten Gasstrom entnommen. Vorzugsweise
ist der hocherhitzte Gasstrom ein Wälzgasstrom aus Produktionsgas, der einer besonderen
Umformungsbehandlung nicht mehr unterworfen zu werden braucht, da es gelingt. ein
praktisch kohlenwasserstofffreies Produktionsgas zu erzeugen.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu
sehen, daß es gelingt, beliebige Kohlenwasserstoffe rußfrei in kohlenwasserstofffreie
bzw. für praktische Zwecke hinreichend kohlenwasserstoffarme Gase umzuformen, wenn
man zur Umformung so viel Wälzgas verwendet, als zur Deckung des Wärmebedarfs der
gesamten Umformungsreaktion (aus Spaltung und Wassergasprozeß am Spaltkohlenstoff)
erforderlich ist, und die Reaktionsmittel vor der Reaktion mit den Kohlenwasserstoffen
mischt. Man vermeidet, daß Kohlenwasserstoffe in ein Regeneratorgitterwerk
eintreten
und dort als Graphit niedergeschlagen werden oder infolge Rußbildung den Regenerator
verstopfen.
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Der Gasstrom, in den die Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe
enthaltenden Gase samt Reaktionsmitteln eingedüst werden, kann ein beliebiger Gasstrom
sein, dessen Moleküle, die beispielsweise an der Reaktion als Zwischenreaktionsträger
teilnehmen oder auch sich inert verhalten; Anwendung finden; beispielsweise läßt
sich das Verfahren auch mit Lichtgas durchführen. Die Temperatur des Gasstromes
soll zwischen 1200 und 1400° liegen.
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1;ach einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung, wie bereits
erwähnt, vor, kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur vorgewärmte
Kohlenwasserstoff e oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase zusammen mit Reaktionsmitteln,
wie beispielsweise Wasserdampf, in einen hocherhitzten, als Wälzgas geführten Produktions-Irr
einzufahren. Die Umformungsreaktion wird zweckmäßig in einer Düse durchgeführt.
Vorteilhafterweise werden in einer Düse in Mischung mit einem vorerhitzten Wälzgasstrom
die Kohlenwasserstoffe oder die Bohlen Wasserstoffe enthaltenden Gase umgeformt
und ein Teil des Produktionsgases nach Zwischenkühlung, z. B. mittels Gebläse, über
Wärmeaustauscher zur Vorerhitzung auf zur Durchführung der Umgasungsformungsreaktionen
hinreichend hohe Temperaturen als Wälzgas wieder mit Kohlen 3v asserstoff oder Kohlenwasserstoffe
enthaltenden Gasen gemischt.
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Die Temperatur des Wälzgases soll erfindungsgemäß im Kreislauf möglichst
oberhalb der Taupunkttemperatur gehalten werden. Die Vorerhitzung oder eine weitere
Erhitzung des Wälzgases kann auch durch eine exotherme Verbrennungsreaktion im Wälzgasstrom,
beispielsweise Einbrennen von Luft öder Sauerstoff in den als Wälzgas verwandten
Produktionsgasstrom vor dessen Eintritt in die Düse, in der die Umformungsreaktion
stattfindet, durchgeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die exotherme
Verbrennungsreaktion vor Beginn der Umformung der Kohlenwasserstoffe im. Wälzgasstrom
abgeschlossen ist, damit nicht durch unvollständige Verbrennung derselben Ruß gebildet
wird. Die Zumischung von Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden
Gasen mit Reaktionsmitteln zu einem Wälzgasstrom zwecks Umformung der Kohlenwasserstoffe
;wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise in solchen Mengen vorgenommen, daß die
Kohlenwasserstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe in dein Wälzgas-Kohlenwasserstoff-Reaktionsmittel-Gemisch
auf etwa die Konzentration des Kohlenstoffes der Kohlenwasserstoffe im Koksofengas
herabgesetzt wird. Erfahrungsgemäß ist eine solche Verminderung der Kohlenstoffkonzentration
zur Verhinderung der Koagulation des bei der Spaltung der Kohlenwasserstoffe entstehenden
Rußes empfehlenswert und bereits ausreichend. Die dadurch festgelegte Wälzgasmenge
reicht bei den angegebenen Temperaturen sowohl zur Deckung des Wärmebedarfs der
Umformungsreaktion als auch zur Erzeugung einer hinreichend hohen Reaktionsgeschwindigkeit
dieser Reaktion aus.
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Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtung zur Durchführung des oben
beschriebenen Verfahrens. Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung besteht z. B. aus
einem Regenerator mit nachgeschalteter Brennkammer zum Einbrennen von Luft oder
Sauerstoff in einen im Regenerator vorerhitzten Wälzgasstrom ausbrennbarer Gase,
vorzugsweise aus Produktionsgas, sowie einer der Brennkammer in Richtung des Wälzgasstromes
nachgeschalteten, aber von der Flammreaktion beim Einbrennen von Luft oder Sauerstoff
in den Wälzgasstrom zweckmäßig nicht erreichbaren Düse mit Einführungsöffnungen
zur Einführung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen
zusammen mit Reaktionsmitteln und zur Mischung derselben mit dem Wälzgas.
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Die Vorrichtung kann auch aus einem Regenerator mit nachgeschalteter
Brennkammer und Düse zur 'Mischung und Umformung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffe
enthaltenden Gasen nachgeschaltetem weiterem hocherhitztem Reaktionsraum für die
Umformungsreaktion bestehen, wobei dieser Reaktionsraum gleichsam als Sicherheitsreaktionsraum
dienen soll und die Umformung der Kohlenwasserstoffe bewirkt, deren Umformung in
der Düse nicht eingeleitet oder nicht beendet wurde. Erfindungsgemäß kann die Düse,
in der die Umformungsreaktion sich größtenteils abspielt, auch wassergekühlt sein
und fernerhin dein hinter der Düse angeordneten hocherhitzten Reaktionsraum, der
beispielsweise wie ein Regenerator ein Gitterwerk besitzt, ein Wärmeaustauscher
zur Ausnutzung der Abhitze der Produktionsgase nachgeschaltet sein.
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Zweckmäßig wird das Wälzgas in einem turmartigen Regenerator von unten
nach oben geführt und dabei vorerhitzt, strömt aus diesem in eine nachschaltbare
waagerechte Brennkammer und im Anschluß daran von oben nach unten in einem ebenfalls
turmartigen Regenerator als hocherhitzten Reaktionsraum und von dort in einen unterhalb
oder neben dem Reaktionsraum angeordneten weiteren Regenerator zur Abwärmeausnutzung.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß
infolge der Verminderung der Kohlenstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe in
einem bestimmten Gasvolumen durch 'Mischung mit einem Wälzgas oder einem anderen
Gasstrom bei Anwesenheit von Reaktionsmitteln, wie Wasserdampf, dem bei der Spaltung
der Kohlenwasserstoffe entstehenden atomaren oder molekularen Kohlenstoff die Möglichkeit
genommen wird, zu Ruß zu koagulieren, und bereits am atomaren oder molekularen Kohlenwasserstoff
durch Stoß mit Reaktionsmittelmolekülen eine Verzehrreaktion, beispielsweise ein
Wassergasprozeß, eingeleitet wird. Erfindungsgemäß ist durch die Verminderung der
Kohlenstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe die Wahrscheinlichkeit für den Stoß
von Kohlenstoffatomen oder -molekülen untereinander verhältnismäßig klein, die für
den Stoß der Kohlenstoffatome oder -moleküle mit Wasserdampfmolekülen verhältnismäßig
groß. Außerdem besitzen die Wasserdampfmoleküle und auch die sonstigen im Wälzgas
enthaltenen Moleküle eine hinreichend hohe Energie, die Umformungsreaktion mit großer
Geschwindigkeit ablaufen zu lassen. Erfindungsgemäß wird demnach die Rußbekämpfung
wirksamer als bei d--,n bekannten Verfahren durchgeführt und zugleich der Wärmehaushalt
des Verfahrens wirtschaftlicher als nach dem bekannten gestaltet.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Zeichnung, die das erfindungsgemäße
Verfahren schematisch darstellt und die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ebenfalls in schematischer Darstellung
zeigt, ausführlicher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Schemadarstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig.2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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In Fig. 1 wird ein Strom 1 eines Gemisches von Kohlenwasserstoff oder
Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen mit Reaktionsmitteln, wie Wasserdampf, vor
einer Düse 2 mit einem hocherhitzten Wälzgasstrom 3, der einen Teilstrom des Produktionsgases
darstellt, gemischt und dadurch innerhalb der Düse in ein kohlenwasserstoffarmes
oder kohlenwasserstofffreies Gas umgeformt. Der Wälzgasstrom 3 wird in dem Wälzgasvorwärmer
4 auf hohe Temperaturen, beispielsweise auf 1100 bis 1200°, vorerhitzt und durch
Einbrennen eines Luft- oder Sauerstoffstromes 5 in einer Brennkammer 6 auf eine
so hohe Temperatur gebracht, daß die Umformungsreaktion in der Düse 2 mit großer
Geschwindigkeit läuft. Die Düse 2 kann wassergekühlt sein. Das in der Düse gebildete
Produktgas gelangt in einen ebenfalls hocherhitzten Reaktionsraum 19, in welchem
in der Düse noch nicht umgeformte Kohlenwasserstoffmoleküle oder solche, deren Umformungsreaktion
noch nicht beendet ist, weiter umgeformt werden. Über den Wärmeaustauscher 7 wird
das Produktionsgas in dem Teilstrom 8 aus dem Prozeß herausgezogen, während der
Teilstrom 3 des Produktionsgases als Wälzgas wieder in den Wälzgasvorwärmer 4 eintritt.
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Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig. 2 im Querschnitt
bei schematischer Darstellung. In dem turmartigen Wälzgasvorwärmer 9 wird das Wälzgas
vorerhitzt und von dort in die Brennkammer 10 durch Einbrennen von Sauerstoff durch
die Düsen 11 in den Wälzgasstrom eingebracht. Bei Eintritt in den Reaktionsturm
12 ist die Flammenreaktion des Einbrennvorganges bereits abgeschlossen. Das hocherhitzte
Wälzgas tritt in die Düse 13 ein und wird beim Eintritt in die Düse 13, die z. B.
wassergekühlt ist, mit über die Düsen 14 eingefahrenen Kohlenwasserstoffen gemischt.
Die Umgasungsreaktion läuft in der Düse 13 und wird, soweit sie nicht abgeschlossen
ist, in den Reaktionsraum 15, der hocherhitzt ist, fortgeführt. Aus diesem wird
Produktionsgas über den Regenerator 16 abgezogen und ein Teilstrom 17 des Produktionsgases
beispielsweise nach in der Figur nicht dargestellter Zwischenkühlung mittels eines
in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Gebläses in den Wälzgasv orw ärmer 9
zurückgeführt. Der Produktionsgasstrom 18 steht dem Verbraucher zur Verfügung. Der
Wälzgasvorwärmer 9 und der Reaktionsraum 15 sind zweckmäßig Regeneratoren, die in
einer besonderen Heizperiode in bekannter Weise beheizt werden.