AT524785A4 - Vorrichtung und Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse (2) mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum (3) mit einer vertikalen Zentralachse (4) auf. Das Gehäuse (2) weist einen Oberteil (5), eine Seitenwand (6), einen Unterteil (7) zum Austragen des Kohlenstoffes, und ein in der vertikalen Zentralachse (4) liegendes Tauchrohr (8) mit einer Öffnung (9) zum Austragen des Wasserstoffes auf. Im Oberteil (5) münden zwei oder mehr Düsen (18) mit einer Düsenmündung (20) zur Injektion des Gasgemisches in den Trennraum (3), deren eine Strahlachse definierende Düsenachse (19) eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes (3), eine Neigungskomponente radial nach außen und eine Neigungskomponente in vertikaler Richtung aufweist.

Description

unter der Wirkung von Zentrifugalkräften.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum thermischen oder katalytischen Trennen von Wasserstoff und Kohlenstoff aus Erdgas bekannt, die aber einerseits hinsichtlich des Energiebedarfes und andererseits hinsichtlich der
Geschwindigkeit des Prozesses nicht zufriedenstellend sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen
Gasgemisches zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit einem Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruches 26.
Erfindungsgemäß wird das Gasgemisch in einem Zentrifugalabscheider in Kohlenstoff und Wasserstoff getrennt, womit ein kontinuierliches Verfahren mit relativ geringem
Energieverbrauch möglich ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der
übrigen Unteransprüche.
Bei der Erfindung hat sich bewährt, wenn die Düsen auf den Bereich des maximalen Außendurchmessers des Trennraumes, eventuell auch den unmittelbar darunter und/oder darüberliegenden Bereich, gerichtet sind. Bei einem derartigen Design können im Trennraum sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten um die vertikale Zentralachse („Swirl-Strömung“) und um den
Zentralkreis des torusförmigen Trennraumes („Tumble-Strömung“)
erzielt werden.
Um die Rotation um die vertikale Zentralachse effizient zu erzeugen, sind die Düsen besonders bevorzugt so ausgerichtet, dass deren durch die Düsenachsen definierte Strahlrichtung im Grundriss (d.h. in einer Normalprojektion parallel zur vertikalen Zentralachse) tangential zu koaxialen Kreisen um die Zentralachse, die durch horizontale Schnitte der Torus-Schale (d.h. des den torusförmigen Trennraum begrenzenden Gehäuses)
erzeugt werden, ausgerichtet sind.
Dabei kann die Düsenmündung wenigstens einer Düse, vorzugsweise einer ersten Gruppe von Düsen, auf einem ersten Kreis liegen und die Düsenmündung wenigstens einer Düse, vorzugsweise einer zweiten Gruppe von Düsen, auf einem zweiten Kreis mit einem
anderen Durchmesser liegen.
Der bevorzugte Bereich der Durchmesser dieses oder dieser Kreise liegt zwischen dem Kreisdurchmesser des Zentralkreises des Torus
und einem Kreis mit einem um 1/3 größeren Kreisdurchmesser.
Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn der maximale Außendurchmesser in einer Normalebene zur vertikalen Zentralachse liegt und wenn der Bereich, in den die Düsen gerichtet sind, in einem Winkel von 0° bis 14°, über der Normalebene liegt, die auf Höhe des maximalen Außendurchmessers liegt, wobei der Scheitel des Winkels im Schnittpunkt der Normalebene und der vertikalen Zentralachse liegt und der Winkel
von der Normalebene aus gemessen wird.
Zusätzlich oder alternativ hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Projektion der Richtung der Jeweiligen Düsenachse auf die Normalebene in einem Winkel zwischen 36° und
47° mit Bezug zu der jeweiligen Vertikalebene liegt, in der die
Düsenachse am Gehäuse liegt.
Diese Bereiche bzw. Winkel haben sich als besonders effektiv herausgestellt, um eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des Gasgemisches sowohl in vertikaler („Tumble-Strömung“) als auch in
horizontaler („Swirl-Strömung“) Richtung zu erzielen.
Um einen besonders symmetrischen, an einen exakten Torus möglichst gut angenäherten Trennraum zu schaffen, der möglichst wenige, die Gaszirkulation störende geometrische Eigenschaften aufweist, wird der Trennraum auf der dem Oberteil gegenüberliegenden Seite durch eine Bodenplatte begrenzt, die eine erste, im Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung aufweist, und die einen Abschnitt der Oberfläche des Torus
bildet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, den Schutzbereich nicht beschränkender, Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 eine axonometrische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Vertikalansicht der Vorrichtung von Fig. L1,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht auf die erfindungsgemäße
Vorrichtung von oben im Schnitt,
Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 5 ein vergrößertes Detail der erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Schnitt,
Fig. 6 ein weiteres vergrößertes Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,
Fig. 7 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung der
Lage der Düsenachsen,
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 10 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 9, Fig. 11 einen Vertikalschnitt durch den unteren Teil der
Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Austragen des Kohlenstoffs,
Fig. 12 einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Erhitzen des kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches,
Fig. 13 einen Horizontalschnitt durch den oberen Teil der
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Brenner,
Fig. 14 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, und Fig. 15 einen Schnitt durch eine Einrichtung zum Trennen von
kohlenwasserstoffhaltigem Gasgemisch und Wasserstoff.
In den Zeichnungen sind Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, die aber nur beispielhaft sind und, abgesehen von den erfindungsgemäßen Merkmalen, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezüglich vieler Komponenten auch anders ausgeführt sein können, ohne dass dies im Folgenden einer
besonderen Erwähnung bedarf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, unter der Wirkung von Zentrifugalkräften, weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse 2 mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum 3 mit einer vertikalen Zentralachse 4 auf. Das Gehäuse 2 weist in der dargestellten
Ausführungsform einen Oberteil 5, eine Seitenwand 6, einen
zylindrische Form der Wand aufweisen.
Das Tauchrohr 8 ragt durch eine mittige Ausnehmung 13 des Oberteils 5, wobei die Öffnung 9 des Tauchrohres 8 im Abstand
von einer Bodenplatte 11 angeordnet ist.
Die Bodenplatte 11 weist eine erste bzw. äußere, im Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung 14 auf, die eine in Draufsicht kreisringförmige Wanne bildet, die gemeinsam mit dem Oberteil 5 und dem Tauchrohr 8 sowie der Seitenwand 6 den als Rotationstorus mit einem Zentralkreis 10 ausgebildeten Trennraum 3 begrenzt, wie durch die strichpunktierten Linien 16 in Fig. 4 angedeutet ist. Zwischen der Seitenwand 6 und dem äußeren Rand der Bodenplatte 11 befindet sich ein Ringspalt 12, durch den der
abgeschiedene Kohlenstoff nach unten ausgetragen wird.
Die Bodenplatte 11 weist des Weiteren eine zweite bzw. innere Vertiefung 15 auf, die ebenfalls eine in Draufsicht kreisringförmige Wanne bildet und im Querschnitt kreisbogenförmig ist. Die Vertiefung 15 liegt unter der Öffnung 9 des Tauchrohres 8 und ermöglicht ein besonders
strömungsgünstiges Eintreten des Gasstromes in das Tauchrohr 8.
An den Oberteil 5 sind Zuleitungen 17 für das kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch in den Trennraum 3 angeschlossen, die über Düsen 18 mit einer Düsenachse 19 in den Trennraum 3 münden. In der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind zwölf
Zuleitungen 17 mit Düsen 18 vorhanden sein.
Die Düsenmündung 20 der Düsen 18 liegen alle auf einem Kreis,
dessen Mittelpunkt in der vertikalen Zentralachse 4 liegt.
Es ist aber auch möglich, dass die Düsenmündungen 20 der Düsen 18 mit unterschiedlichen Abständen von der Zentralachse 4 an den Oberteil 5 angeschlossen sind, beispielsweise in parallelen, ringförmigen Reihen, wie dies in Fig. 7 durch die strichlierten
Kreise 22, 23 dargestellt ist.
In diesem Fall liegen zwei Gruppen von Düsen 18 vor, die auf Kreisen 22, 23 mit unterschiedlich großen Durchmessern liegen. Die Düsen 18 sind so ausgerichtet, dass deren durch die Düsenachsen 19 definierte Strahlrichtung eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes 3, also eine Rotation um die Zentralachse 4, und eine Neigungskomponente in vertikaler Richtung, also parallel zur Zentralachse 4, aufweist. Außerdem weisen die Düsenachsen 19 eine Neigungskomponente radial nach
außen auf.
Die Düsenachsen 19 der Düsen 18 sind bevorzugt so ausgerichtet, dass sie in einer Normalprojektion auf die Normalebene 28
tangential zum jeweiligen Kreis 22, 23 liegen.
Der Trennraum 3 weist einen maximalen Außendurchmesser auf, der in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung an der bzw. knapp unter der Stoßkante 24 liegt, an der der Oberteil 5 und die Seitenwand 6 aneinander anliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Düsenachsen 19 im Wesentlichen genau auf diesen maximalen Außendurchmesser des
Trennraumes 3 gerichtet, wie dies insbesondere in Fig. 5
7735
schneidet.
Im Rahmen der Erfindung ist es allerdings auch möglich, dass der Bereich 26, in den die Düsen 18 gerichtet sind, d.h. der Bereich, in dem die Auftreffpunkte 25 der Düsenachsen 19 auf die Innenfläche 27 des Trennraumes 3 liegen, sich etwas oberhalb oder unterhalb des maximalen Außendurchmessers erstrecken kann,
wobei nicht alle Düsen 18 gleich ausgerichtet sein müssen.
Insbesondere kann der Bereich 26, auf den einige oder alle Düsen 18 bzw. deren Düsenachsen 19 gerichtet sind, in einem Winkel & zwischen 10°, vorzugsweise 5°, insbesondere 0°, unter der Normalebene 28, und 20°, vorzugsweise 17°, insbesondere 14°, über der Normalebene 28 liegen. Die Abweichung der Auftreffpunkte 25 über oder unter der Normalebene 28 kann sich insbesondere in Abhängigkeit von der Geometrie des Trennraumes 3 und der Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas aus den Düsen 18 austritt, ergeben. Der Winkel x wird so bestimmt, dass sein Scheitel im Schnittpunkt der Normalebene 28 und der vertikalen Zentralachse 4 liegt und der Winkel von der Normalebene 28 aus
gemessen wird.
Dementsprechend ergibt sich in einer Projektion einer Jeweiligen Düsenachse 19 auf eine Vertikalebene 29, in der die Zentralachse 4 und der Auftreffpunkt 25 der jeweiligen Düsenachse 19 liegt, bevorzugt ein Winkel y zwischen der Düsenachse und der
Normalebene 28 zwischen 34° und 42°,
Soweit die Neigungskomponente der Düsenachsen 19 in Umfangsrichtung betroffen ist, liegt diese erfindungsgemäß bevorzugt in einem Winkel ß, der zwischen 26° und 57°,
vorzugsweise zwischen 31° und 52°, insbesondere zwischen 36° und
18 austritt.
Die angegebenen, bevorzugten Winkelbereiche sind des Weiteren auch davon abhängig, in welchem Abstand die Düsen 18 von der Zentralachse 4 am Oberteil angebracht sind. Näher an der
Zentralachse 4 liegende Düsen 18 werden in der Regel (müssen aber nicht unbedingt) kleinere Winkel aufweisen, als von der
Zentralachse 4 weiter entfernt liegende Düsen 18.
Durch die in den Zeichnungen dargestellte und vorstehend beschriebene Strahlrichtung der Düsen 18, d.h. die Ausrichtung der Düsenachsen 19, ergibt sich eine Rotation des durch die Düsen 18 in den Trennraum 3 eintretenden Gases sowohl in Umfangsrichtung um die Zentralachse 4 (Pfeil 31 in Fig. 7) als auch in vertikaler Richtung (Pfeile 32 in Fig. 4). Dies hat zur Folge, dass der Kohlenstoff des Gasgemisches aufgrund der erzeugten Fliehkraft an die Innenfläche 27 des Oberteils 5 und der Seitenwand 6 gedrückt wird und durch den Ringspalt 12 in den Unterteil 7 des Gehäuses 2 absinkt.
Der gasförmige Teil des Gasgemisches, insbesondere der Wasserstoff des Gasgemisches und gegebenenfalls weitere gasförmige Bestandteile, wird aufgrund des geringeren
spezifischen Gewichtes nach innen durch das Tauchrohr 8
abgeleitet.
Die Zuleitungen 17 sind in der dargestellten Ausführungsform der
Trennraum 3 bzw. dem Tauchrohr 8 angeordnet.
Am oberen Ende des Hüllrohres 34 ist ein Anschluss 35 für eine Anschlussleitung 37 angebracht, über die das von einer Heizeinrichtung 38 erhitzte und in einem Verdichter 39 komprimierte, kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch mit einer Temperatur von vorzugsweise 600°C bis 1.200°C zugeführt wird. Bei einer Temperatur von etwa 1.200°C zerfällt das kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch im Wesentlichen vollständig in Kohlenstoff und Wasserstoff, sodass im Trennraum 3 der Kohlenstoffanteil vom gasförmigen Anteil (hauptsächlich Wasserstoff) durch Fliehkraft getrennt werden kann. Bei Temperaturen unter 1.200°C aber über 600°C zerfällt das Gasgemisch nur zum Teil, sodass durch das Tauchrohr 8 reiner Wasserstoff und kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch abgeleitet werden. Umso höher die Temperatur ist, umso höher ist auch der Anteil von getrenntem Wasserstoff und Kohlenstoff und somit die Effizienz der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Durch die Temperatur kann auch die räumliche Struktur des abgetrennten
Kohlenstoffes beeinflusst werden.
Das Gasgemisch wird vorzugsweise bei einem Druck von 1,5 bis 2,5 bar zugeführt, wobei im Trennraum 3 die Trennung des Kohlenstoffs vom Wasserstoff erfolgt. Dabei werden an der Mündung der Düsen 18 bevorzugt Strömungsgeschwindigkeiten von 60 m/s bis 70 m/s und im Bereich des Zentralkreises 10 des
torusförmigen Trennraumes 3 Strömungsgeschwindigkeiten von 15
m/s bis 22 m/s erzielt, womit eine schnelle und zuverlässige
Trennung von Wasserstoff und Kohlenstoff möglich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch bei geringeren oder höheren Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt
werden.
Um das gewünschte Druckniveau im Trennraum 3 aufrechterhalten zu können, ist in der in Fig. 1, 2 und 4 dargestellten Ausführungsform an der Unterseite des Unterteils 7 eine Klappe 36 angebracht, die in regelmäßigen Abständen geöffnet wird, um den abgeschiedenen Kohlenstoff aus dem Gehäuse 2 austragen zu
können.
In den Fig. 9 bis 15 ist eine weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die grundsätzlich wie die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 8 beschriebene Ausführungsform aufgebaut ist. Gleiche Komponenten sind daher auch mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Konstruktiv voneinander abweichende Komponenten können allerdings beliebig miteinander kombiniert
werden.
Diese weitere Ausführungsform der Erfindung weist eine Einrichtung 41 zum kontinuierlichen Austragen des Kohlenstoffs aus dem Unterteil 7 des Gehäuses 2 auf. An den Unterteil 7 schließt ein vertikales Rohr 42 an, in dem sich eine Schnecke 43 mit sich von oben nach unten verringernder Ganghöhe dreht. Durch die geringer werdende Ganghöhe wird der durch die Rotation der Schnecke 43 nach unten geförderte Kohlenstoff zunehmend komprimiert, wodurch das Gehäuse 2 nach unten abgedichtet wird. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gewährleistet, weil der Betrieb nicht durch wiederholtes Öffnen des Unterteils 7 zum Austragen des Kohlenstoffs unterbrochen werden muss.
Angetrieben wird die Schnecke 43 über ein Kegelradgetriebe 44
mit einem Tellerrad 45 und ein Ritzel 46, das von einem
Elektromotor 47 angetrieben wird.
Um unnötige Wärmeverluste durch das Austragen des heißen Kohlenstoffs zu vermeiden, sind sowohl am vertikalen Rohr 42 als auch am daran anschließenden Rohr 42a Wärmetauscher 48 und 49 angebracht. Die Wärmetauscher 48, 49 werden von kohlenwasserstoffhaltigem Gasgemisch durchströmt, das von einer Trenneinrichtung 51 kommend und unter dem Druck der Gaszuleitung 37 durch eine Leitung 52 den ersten, unteren Wärmetauscher 48 durchströmt, dann über eine weitere Leitung 59 in den zweiten, oberen Wärmetauscher 49 eintritt, diesen ebenfalls durchströmt, und anschließend über eine Leitung 61 in das Hüllrohr 34 mündet, wo es mit dem bereits im Ringspalt 12 vorerhitzten Gasgemisch gemischt und der Heizvorrichtung 64 zugeführt wird. In der Heizvorrichtung 64 wird das Gasgemisch dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der das kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch in Kohlenstoff und Wasserstoff zerfällt, worauf das Gasgemisch durch die Zuleitungen 17 in den Trennraum 3 gelangt, in dem der
Kohlenstoff vom Gasanteil getrennt wird.
Die in Fig. 15 im Schnitt dargestellte Trenneinrichtung 51 dient zum Abtrennen von Wasserstoff aus dem Gasgemisch, das durch das Tauchrohr 8 aus dem Trennraum 3 abgeleitet wird. Die Trenneinrichtung 51 weist ein Gehäuse 57 auf, in dem eine Membran 53 angeordnet ist, die den Innenraum des Gehäuses 57 in einen ersten Bereich 54 und einen zweiten Bereich 55 trennt. Die Membran 53 ist zwar für Wasserstoff durchlässig, nicht aber für Kohlenwasserstoffverbindungen. Durch das Tauchrohr 8 aufsteigendes Gasgemisch tritt über eine Leitung 56 in den ersten Bereich 54 des Gehäuses 57 ein, worauf Wasserstoff durch die Membran 53 in den zweiten Bereich 55 diffundieren kann und von dort über eine Ableitung 62 abströmt. Es versteht sich, dass der Wasserstoff auch durch jede andere bekannte Methode aus dem
Gasgemisch abgetrennt werden kann.
Der kohlenwasserstoffhaltige Gasanteil, der im ersten Bereich 54 zurückgehalten wird, wird mittels einer Pumpe 60 durch eine Leitung 58 abgeleitet und mit Frischgas, das über die Anschlussleitung 37 zugeführt wird, über das Hüllrohr 34 wieder dem Trennraum 3 zugeführt. Ein Teil des durch die Leitung 58 abgeleiteten Gases wird wie vorstehend beschrieben über die
Leitung 52 den Wärmetauschern 48, 49 zugeführt.
Von der Ableitung 62 für den reinen Wasserstoff zweigt eine Versorgungsleitung 63 ab, die zu einer Heizvorrichtung 64 bzw. einem Brenner führt, die in den Fig. 12 und 13 detaillierter dargestellt ist. Die Heizvorrichtung 64 kann zusätzlich oder alternativ zu einer Heizeinrichtung 38 vorgesehen sein, wie sie in Verbindung mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben
wurde.
Die Heizvorrichtung 64 weist einen Brennraum 65 auf, der durch Abstandhalter 66, die zwischen den Zuleitungen 17 angeordnet sind, begrenzt wird. Zwischen den Abstandhaltern 66 und den Zuleitungen 17 befinden sich kleine Spalten, die beispielsweise eine Breite von 0,2 mm aufweisen können, und durch die der über die Versorgungsleitung 63 zugeführte Wasserstoff sowie durch den Anschluss 67 zugeführter Sauerstoff oder Luft in den Brennraum 65 gelangen. Der Brennraum 65 ist des Weiteren nach unten durch einen Boden 68 und nach oben durch einen Deckel 69 begrenzt, der in der Mitte eine Öffnung 71 zum Ableiten der Verbrennungsgase
aufweist.
Die Verbrennungsgase beheizen zunächst die Zuleitungen 17 im unmittelbaren Bereich des Brennraumes 65 und steigen, nachdem sie durch die Öffnung 71 getreten sind, in einem Ringraum 72 zwischen dem Hüllrohr 34 und einem Außenrohr 73 auf. Während die heißen Verbrennungsgase im Ringraum 72 aufsteigen, heizen sie
weiterhin das durch das Hüllrohr 34 zugeführte
kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch auf, bis sie durch einen
Auslass 74 abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste:
1 Vorrichtung 37 Anschlussleitung 2 Gehäuse 38 Heizeinrichtung 3 Trennraum 39 Verdichter 4 Achse 40 = 5 Oberteil 41 Einrichtung 6 Seitenwand 42 Rohr 7 Unterteil 43 Schnecke 8 Tauchrohr 44 Kegelradgetriebe 9 Öffnung 45 Tellerrad 10 Zentralkreis 46 Ritzel 11 Bodenplatte 47 Elektromotor 12 Ringspalt 48 Wärmetauscher 13 Ausnehmung 49 Wärmetauscher 14 erste kreisbogenförmige 50 _Vertiefung 51 Trenneinrichtung 15 zweite kreisbogenförmige 52 Leitung Vertiefung 53 Membran 16 strichpunktierte Linien 54 erster Bereich 17 Zuleitungen 55 zweiter Bereich 18 Düsen 56 Leitung 19 Düsenachse 57 Gehäuse 20 Düsenmündung 58 Leitung 21 Anschluss 59 Leitung 22 Kreis 60 Pumpe 23 Kreis 61 Leitung 24 Stoßkante 62 Ableitung 25 Auf£ftreffpunkt 63 Versorgungsleitung 26 Bereich 64 Heizvorrichtung 27 Innen£fläche 66 Abstandhalter 28 Normalebene 65 Brennraum 29 Vertikalebene 67 Anschluss 30 = 68 Boden 31 Pfeil 69 Deckel 32 Pfeile 70 = 33 Ende 71 Öffnung 34 Hüllrohr 72 Ringraum 35 Anschluss 73 Außenrohr 36 Klappe 74 Auslass

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    Vorrichtung zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein rotationssymmetrisches Gehäuse (2) mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum (3) mit einer vertikalen Zentralachse (4) aufweist, dass das Gehäuse (2) einen Oberteil (5), eine Seitenwand (6), einen Unterteil (7) zum Austragen des Kohlenstoffes, und ein in der vertikalen Zentralachse (4) lLiegendes Tauchrohr (8) mit einer Öffnung (9) zum Austragen des Wasserstoffes aufweist, und dass im Oberteil (5) zwei oder mehr Düsen (18) mit einer Düsenmündung (20) zur Injektion des Gasgemisches in den Trennraum (3) münden, deren eine Strahlachse definierende Düsenachse (19) eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes (3), eine Neigungskomponente radial nach außen und eine
    Neigungskomponente in vertikaler Richtung aufweist.
    Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenmündung (20) wenigstens einer Düse (18), vorzugsweise einer Gruppe von Düsen (18), auf einem ersten Kreis (22, 23) Liegt, dessen Mittelpunkt in der vertikalen Zentralachse (4) liegt, und dass die Düsenachse (19) dieser Düse (18) in einer NormalprojJjektion tangential zum
    Kreis (22, 23) Liegt.
    Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenmündung (20) wenigstens einer Düse (18), vorzugsweise einer Gruppe von Düsen (18), auf einem zweiten Kreis (22, 23) liegt, dessen Mittelpunkt in der vertikalen Zentralachse (4) liegt, und dass die Düsenachse (19) dieser Düse (18) in einer Normalprojektion tangential
    zum Kreis (22, 23) Liegt.
    Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der torusförmige Trennraum (3) einen Zentralkreis aufweist, und dass der Durchmesser des ersten und/oder zweiten Kreises (22, 23) größer als der
    Durchmesser des Zentralkreises (10) ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten und/oder zweiten Kreises (22, 23) kleiner als der um 1/3 vergrößerte Durchmesser des
    Zentralkreises (10) ist.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennraum (3) einen maximalen Außendurchmesser aufweist, und dass die Düsenachsen (19) der Düsen (18) auf den Bereich des maximalen
    Außendurchmessers gerichtet sind.
    Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Außendurchmesser in einer Normalebene (28)
    zur vertikalen Zentralachse (4) liegt.
    Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, in dem der Auftreffpunkt (25) der jeweiligen Düsenachse (19) am Gehäuse (2) liegt, in einem Winkel (x) zwischen 10°, vorzugsweise 5°, insbesondere 0°, unter der Normalebene (28), und 20°, vorzugsweise 17°, insbesondere 14°, über der Normalebene (28) liegt, wobei der Scheitel des Winkels (x) im Schnittpunkt der Normalebene (28) und der vertikalen Zentralachse (4) liegt und der Winkel (x) von der
    Normalebene (28) aus gemessen wird.
    Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch Vertikalebenen (29), in denen die vertikale Zentralachse
    (4) und der Auftreffpunkt (25) der jeweiligen Düsenachse
    11.
    12.
    13.
    14.
    15.
    17
    (19) am Gehäuse (2) liegt, und dass ein Winkel zwischen der Normalprojektion der jeweiligen Dü
    (19) auf die Normalebene (28) und der jeweilige
    (ß) senachse
    n
    Vertikalebene (29) zwischen 26° und 57°, vorzugsweise
    zwischen 31° und 52°, insbesondere zwischen 36°
    beträgt.
    und 47°
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
    gekennzeichnet, dass ein Winkel (yY) zwischen ei Normalprojektion einer Düsenachse (19) auf eine Vertikalebene (29), in der die Zentralachse (4) Auftreffpunkt (25) der jeweiligen Düsenachse (1
    und der Normalebene (28) zwischen 34° und 42° b
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (8) durch de
    (5) von oben in den Trennraum (3) ragt.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet, dass der Trennraum (3) auf der Oberteil (5) gegenüberliegenden Seite durch ein
    Bodenplatte (11) begrenzt wird.
    Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzei zwischen der Bodenplatte (11) und der Seitenwan Ringspalt (12) gebildet ist, durch den der Kohl den Unterteil (7) strömt.
    Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (11) eine Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung (14) a
    die den Trennraum (3) begrenzt.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
    gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (11) im Be
    ner
    und der 9) liegt,
    eträgt.
    dadurch n Oberteil
    dadurch dem
    eS
    chnet, dass d (6) ein
    enstoff in
    erste, im
    ufweist,
    dadurch
    reich vor
    17.
    18.
    19.
    20.
    21.
    22.
    der Öffnung
    18
    (9) des Tauchrohres (8) eine zweite, im
    Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung (15) aufweist.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (8) außerhalb des
    Gehäuses (2)
    wenigstens teilweise von einem Hüllrohr
    zum Zuführen des Gasgemisches umgeben ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
    dadurch
    (34)
    dass
    an das Hüllrohr (34) Zuleitungen (17) angeschlossen sind,
    die an die Düsen (18) angeschlossen sind.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
    gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (38) für das
    Gasgemisch, die geeignet ist, das Gasgemisch auf eine
    Temperatur von wenigstens 700°, vorzugsweise auf eine
    Temperatur bis 1.200° zu erhitzen.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
    gekennzeichnet durch einen Verdichter (39), der geeignet
    ist, das Gasgemisch auf einen Druck von wenigstens 1,5
    bar, vorzugsweise auf einen Druck bis 2,5 bar, zu
    verdichten.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
    dadurch
    gekennzeichnet, dass an den Unterteil (7) ein Rohr (42)
    anschließt,
    in dem vorzugsweise eine von einem Motor
    angetriebene Schnecke (43) drehbar gelagert ist, die
    vorzugsweise eine sich ändernde Ganghöhe aufweist.
    Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
    am Rohr (42)
    wenigstens ein erster Wärmetauscher (49)
    angeordnet ist.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
    (47)
    dass
    dadurch
    24.
    25.
    26.
    19
    gekennzeichnet, dass an das Tauchroh Trenneinrichtung (51) angeschlossen über eine nur für Wasserstoff durchl Wasserstoff aus dem aus dem Trennrau
    Tauchrohr (8) austretenden Gasgemisc
    Vorrichtung nach Anspruch 16, 21 und gekennzeichnet, dass die Trenneinric Leitung (52) mit dem ersten Wärmetau ist, und dass der Wärmetauscher (49)
    (61) mit dem Hüllrohr (34) verbunden
    Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurc zwischen der Leitung (52) und dem er (49) ein weiterer Wärmetauscher (48) mit dem ersten Wärmetauscher (49) üb
    verbunden ist.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche gekennzeichnet, dass die Trenneinric Versorgungsleitung (63) mit einer He Erhitzen des kohlenwasserstoffhaltig
    verbunden ist.
    Verfahren zum Trennen von Kohlenstof eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasg Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkung von Zentrifugalkräften,
    einem rotationssymmetrischen Gehäuse Wesentlichen torusförmigen Trennraum vertikalen Zentralachse (4) zugeführ Gehäuse (2) einen Oberteil (5), eine Unterteil (7) zum Austragen des Kohl der vertikalen Zentralachse (4) lieg mit einer Öffnung zum Austragen des
    aufweist, und dass das Gasgemisch du
    r (8) eine
    ist, die, vorzugsweise ässige Membran (53),
    m (3) durch das
    h abscheidet.
    22, dadurch htung (51) über eine scher (49) verbunden über eine Leitung
    ist.
    h gekennzeichnet, dass sten Wärmetauscher angeordnet ist, der
    er eine Leitung (59)
    22 bis 24, dadurch htung (51) über eine izvorrichtung (64) zum
    en Gasgemisches
    £f und Wasserstoff emisches, insbesondere das Gasgemisch unter bei dem das Gasgemisch (2) mit einem im (3) mit einer t wird, wobei das Seitenwand (6), einen enstoffes, und ein in endes Tauchrohr (8) Wasserstoffes
    rch zwei oder mehr
    28.
    29.
    20
    Düsen (18) in den Trennraum (3) zugeführt wird, die im Oberteil (5) angeordnet sind und eine eine Strahlachse definierende Düsenachse (19) aufweisen, die eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes (3), eine Neigungskomponente radial nach außen und eine
    Neigungskomponente in vertikaler Richtung aufweist.
    Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch mit einer Temperatur von wenigstens 600°C, vorzugsweise zwischen 600°C und 1.200°C, in den Trennraum
    (3) zugeführt wird.
    Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch bei einem Druck von
    1,5 bis 2,5 bar in den Trennraum (3) zugeführt wird.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass abgetrennter Wasserstoff zum Beheizen einer Heizvorrichtung (64) zum Erhitzen des
    kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches verwendet wird.
    21735
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