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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Spaltung und/oder
Vergasung von Kohlenwasserstoffen, die auch noch andere organische Verbindungen
enthalten können Zusatz zur Anmeldung M 21093 IVc/23b Die Hauptpatentanmeldung M
21093 IVc/23b bebetrifft die Spaltung und Vergasung von gasförmigen, dampfförmigen
und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, die auch noch andere organische Stoffe,
wie sauerstoffhaltige, schwefelhaltige und stickstoffhaltige Verbindungen enthalten
können. Sie hat zum Ziel, aus derartigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere auch
minderwertigen, z. B. den hochsiedenden Anteilen von Erdöl oder Schwelteeren, aus
Asphalt, Pech, Heizöl, Spaltrückständen, ein stickstoffarmes Gas mit einem hohen
Heizwert zu erzeugen, z. B. ein Reichgas mit einem oberen Heizwert von etwa 9000
kcal/NmS oder ein für Stadtgaszwecke brauchbares Gas mit einer Verbrennungswärme
von etwa 4500 kcal/Nm8 oder auch ein Wassergas, das im wesentlichen aus Kohlenoxyd,
Wasserstoff und Kohlendioxyd - wobei letzteres leicht nach bekannten Verfahren ganz
oder teilweise entfernt werden kann -besteht und insbesondere für Synthesezwecke
geeignet ist, oder Gas für die Ammoniaksynthese, für andere Hydrierzwecke. Oder
es werden aus den gleichen Ausgangsstoffen oder auch anderen Kohlenwasserstoffen
Gase mit hohem Gehalt an Olefinen, Benzol, Acetylen und ähnlichen ungesättigten
organischen Stoffen gewonnen. Auch kann das Verfahren darauf abgestellt werden,
aus hochsiedenden Kohlenwasserstoffen niedrigersiedende herzustellen. Die Zusammensetzung
der gewonnenen Gase kann dabei durch Umwandlung nach bekannten Verfahren, wie Konvertierung,
Methanisierung, Auswaschen, Adsorption, gegebenenfalls noch den einzelnen Verwendungszwecken
besser angepaßt werden.
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Das Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung besteht darin, die für
den Spalt- und Vergasungsvorgang benötigte Wärme durch die Zufuhr von aufgeheizten
feinkörnigen Wärmeträgern zu decken und die Mischung der Wärmeträger mit den zu
spaltenden Ausgangsstoffen, z. B. Ölen, Teeren, in einem mechanischen Mischwerk
zu bewirken. Das Mischwerk, z. B. Mischschnecke, hat die Aufgabe, eine schnelle
und sorgfältige Mischung von Ausgangsstoff und Wärmeträgern zu bewirken. Im praktischen
Betrieb ergab sich, daß die Mischschnecke diese Aufgabe gut löst. Nicht dagegen
konnte in allen Fällen sicher verhindert werden, daß sich zwischen den einzelnen
Paddeln der Schnecke Ansätze bildeten.
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Dieser überstand wird erfindungsgemäß dadurch behoben, daß zwei im
gleichen Sinn umlaufende Mischschnecken benutzt werden, die so miteinander kämmen,
daß die Paddeln einer jeden Mischschnecke den freien Raum zwischen den Paddeln der
anderen Mischschnecke säubern. Hierbei kann man beide Schneckenwellen mit gleicher
Drehzahl oder im ganzzahligen Drehverhältnis, z. B. von 1 2 oder 1 : 3
umlaufen lassen.
Zweckmäßig werden die Paddeln so ausgebildet, daß sie den nicht von den Paddeln
der Gegenschnecke bestrichenen Raum ausfüllen.
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In der Zeichnung sind Vorrichtungen gemäß der Erfindung schematisch
und beispielsweise dargestellt.
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Die Abbildungen zeigen Schnitte durch Vorrichtungen mit im gleichen
Sinn umlaufenden Mischschnecken. In der Vorrichtung nach Abb. 1 laufen die Wellen
im Drehzahlverhältnis 1 : 1, in der Vorrichtung nach Abb. 2 im Drehzahlverhältnis
1: 2 und in der Vorrichtung nach Abb. 3 im Drehzahlverhältnis 1: 3 um; Abb. 4 und
5 sind ebenfalls Querschnitte durch zwei andere Ausführungsformen der Erfindung,
Abb. 6 eine Seitenansicht der linken Schnecke von Abb. 4 und Abb. 7 eine Seitenansicht
der linken Schnecke der Abb. 5; Abb. 8 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Mischvorrichtung; in Abb. 9 und 10 sind Einzelheiten der Erfindung dargestellt.
i und 2 sind die rotierenden Schneckenwellen, die mit Paddeln 3 und 4 besetzt sind.
Diese Paddeln können aus Rundeisen, Flacheisen, Blechschaufeln od. dgl bestehen.
Sie sind vorteilhaft versetzt auf den Wellen angeordnet, folgen aber zweckmäßig
ohne jeden Zwischenraum
längs der Achse aufeinander, so daß sie
den Gehäuseraum vollständig zu bestreichen und damit sauber zu halten vermögen.
Ansätze an den Schnecken selbst werden durch die im gleichen Sinne umlaufenden Paddeln
der Gegenschnecke beseitigt bzw. unterbunden, wobei beide Schnecken sich gegenseitig
sauber halten in einem Umfang, wie er aus den Abbildungen hervorgeht. Der jeweils
schraffierte Raum wird von der Gegeuschnecke nicht bestrichen und ist, falls Ansatzbildung
eintritt, von Ansätzen ausgefüllt, deren Form insbesondere durch die verschiedenen
Drehzahlverhältnisse (1:1, 1:2, 1 :3) bedingt ist. Können Ansätze auch im schraffierten
Raum nicht zugelassen werden, so werden die Paddeln zweckmäßig so ausgebildet, daß
sie selbst den schraffierten Raum bis auf einen kleinen Spielraum ausfüllen. Beispielsweise
werden nach Abb. 4 und 5 bei einem Drehzahlverhältnis 1:1 die Paddeln im Querschnitt
linsenförmig ausgebildet.
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Vorteilhaft werden die Linsenkörper glatt oder gerade durchgehend
(21 in Abb. 4 und 6) oder gleichmäßig stetig gewendelt (22 in Abb. 5 und 7) ausgeführt.
Das hat den Vorteil, daß auch bei dem Betrieb der Vorrichtung bei höheren Temperaturen
oder bei Temperaturschwankungen die Vorrichtung betriebssicher arbeitet und Längenausdehnungen,
die infolge der hohen Temperaturen oder von Temperaturänderungen auftreten können,
nicht besonders berücksichtigt zu werden brauchen, wie dieses der Fall ist, wenn
Paddelschnecken verwendet werden, die aus einzelnen, mit Abständen voneinander wendeltreppenartig
angeordneten Linsenkörpern bestehen.
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Überraschend ergibt sich bei glatten und gerade durchgehenden Linsenkörpern
eine gute Mischwirkung und ein zuverlässiges Vorwärtsbewegen der Wärmeträger. Diese
günstigen Wirkungen kommen nicht durch Reibung zustande, sondern dadurch, daß die
eine Schnecke das Gut von der anderen Schnecke abstreift, dieses im eigenen Schneckenraum
herumführt und wieder der anderen Schnecke übergibt. Die Wärmeträger vollführen
also eine Bewegung um beide Schnecken herum, wobei beim Abstreifvorgang der von
den Wärmeträgern od. dgl. Gut erfüllte Raum seine Form ständig wechselt und das
Gut der Randpartien zum Inneren und das der inneren Partien zum Rand abgedrängt
wird. Die Linsenkörper putzen sich gegenseitig und auch das Gehäuse, so daß störende
Ansätze vermieden werden. Will man stoßweise Beanspruchungen der Wellen und damit
des Getriebes vermeiden und ausgeglichene Kräfte und einen ruhigen Lauf des Getriebes
erzielen, so werden vorteilhaft Mischschnecken verwendet, deren Linsenkörper stetig
wendelförmig aufgebaut sind (Abb. 5 und 7). Diese Wendelung ergibt nach Steigung
und Drehzahl auch ein stärkeres Vorwärtsschieben des Mischgutes.
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Die zu behandelnden Kohlenwasserstoffe werden mit oder ohne Zugabe
von Wasserdampf, zweckmäßig am Anfang des Mischwerkes, in das Gehäuse eingeführt
und sofort in direkte Berührung mit den von den gleichsinnig umlaufenden Schnecken
umgewälzten feinkörnigen Wärmeträgern gebracht. Die Wärmeträger erhitzen die Kohlenwasserstoffe
sehr schnell praktisch auf die Temperatur der Wärmeträger, wobei die Kohlenwasserstoffe
sich in niedrigmolekulare Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoff, Wasserstoff und, soweit
die Temperatur und die Gegenwart von Sauerstoff oder Wasserdampf dies ermöglichen,
zu Kohlensäure und Kohlenoxyd spalten. Die entstehenden Dämpfe und Gase durchstreichen
das Mischwerk in der Längsrichtung der Mischwellen von vorn nach
hinten und werden
hierbei in stetig guter Durchmischung mit den umgewälzten Wärmeträgern gehalten.
Der frei werdende Kohlenstoff geht teils in Form von Ruß mit den Dämpfen und Gasen
durch das Mischwerk hindurch oder setzt sich zum anderen Teil als Koks an die feinkörnigen
Wärmeträger, die Flügel der Mischwellen oder an das Mischwerksgehäuse an. Die Flügel
beider Mischwellen halten sich gegenseitig sauber, weiterhin bestreichen die Flügel
das Schneckengehäuse, so daß Ansätze, die die Bewegung des Mischwerkes oder den
Mischvorgang stören könnten, sicher beseitigt werden. Ebenfalls können keine Agglomerierungen
von pechartigen Rückständen mit den feinkörnigen Wärmeträgern auftreten, da der
von den Wärmeträgern erfüllte Raum im Mischwerksgehäuse zwischen den Mischwellen
seine Form stetig verändert und beginnende Agglomerierungen durch die kräftigen
Abstreif- und Gleitvorgänge sofort zerstört werden.
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Nach Abb. 8 sind die Schneckenwellen 1 und 2 in einem ausgemauerten
Gehäuse 6 mit Blechmantel 7 eingebaut. Dieses Gehäuse hat eine Zuleitung 8 für die
aufgeheizten feinkörnigen Wärmeträger, eine Zuleitung 9 für die erfindungsgemäß
zu behandelnden Stoffe und eine Ableitung 5 für die Wärmeträger. Die Wärmeträger
und die zu behandelnden Stoffe werden vorzugsweise nacheinander dem Mischwerk zugeführt.
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Vorteilhaft werden zunächst am Anfang des Mischwerkes die aufgeheizten
feinkörnigen Wärmeträger durch den Kanal 8 kontinuierlich in das Mischwerk gegeben,
anschließend werden die zu behandelnden Stoffe stetig durch die Leitung 9 in das
Mischwerk eingeführt. Auf den Wellen der Mischschnecke sind die Paddeln als einzelne
Abschnitte20 aufgebracht.
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Es kann von Vorteil sein, am Anfang des Mischwerkes für den ersten
Transport der heißen Wärmeträger normale Schneckengänge 10 auf den Mischwellen anzuordnen,
die die Wärmeträger besser als die Linsenkörper vorwärts schieben und eine gute
Aufgabe der Wärmeträger auf das Mischwerk sichern. Diese normalen Schneckengänge
können sich nicht verschmutzen, da eine Ansatzbildung im wesentlichen erst nach
Zuführen der zu behandelnden Stoffe möglich ist.
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Um der hohen Temperaturbeanspruchung gerecht zu werden, die bei der
Spaltung und Vergasung auftritt, werden die Wellen der Schnecken vorteilhaft wassergekühlt
ausgeführt. Die Paddeln, z. B. Linsenkörper, können auf die Wellen aufgeschweißt
oder in einem oder mehreren Teilen aufgeschoben und verkeilt werden. Als besonders
zweckmäßig hat sich herausgestellt, den stetig gewendelten Linsenkörper aus einzelnen
Teilen 12 und 13 halbschalenförmig auszubilden und diese Halbschalen mit Senkschrauben
14 od. dgl. um die Wellen zu befestigen, wie in Abb. 9 dargestellt. Hierdurch können
einzelne, dem Verschleiß stärker ausgesetzte Teile leicht ausgewechselt werden.
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Auch können Mitnehmer oder ähnliche Einrichtungen eingebaut werden,
die ein Rutschen der Schalen auf der Welle verhindern.
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Die Linsenkörper können aus Blech geschweißt sein; vorteilhaft wird
einfacher oder legierter Guß verwendet.
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Ist eine Kühlung des Mischwerkes vorgesehen, so genügt es in vielen
Fällen, lediglich die Wellen zu kühlen. Die Linsenkörper od. dgl. Teile der Vorrichtung
können bei Bedarf, vor allem bei Schnecken größeren Durchmessers, ebenfalls an die
Wellenkühlung angeschlossen werden oder auch gegebenenfalls isoliert mit der Welle
verbunden sein, um unnötige Wärmeverluste zu vermeiden.
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Es ist nun nicht unbedingt notwendig, die Linsenform voll in Material
auszuführen. In vielen Fällen genügt es, auf die Wellen zwei diametral gegenüberstehende
Flügel aus geraden Profilen zu setzen, die bis zum äußeren Durchmesser der Schnecke
reichen, wie in Abb. 10 angegeben. Alsdann bildet sich im Betrieb durch Ansetzen
von Koks od. dgl. Stoffen um die Wellen die Linsenform zwangläufig aus, da alle
anderen Räume durch die Flügelkanten der Gegenwelle bestrichen werden. Diese Flügel
werden zweckmäßig gewendelt auf die Wellen gesetzt. Die Anwendung von Flügeln an
Stelle der Linsenform hat den Vorteil der einfacheren Herstellung und des geringeren
Verschleißes, da nur noch die äußeren Kanten gefährdet sind. Das Ansetzen von Koks
od. dgl. an die Schneckenwellen gibt einen geringeren Wärmefluß zu den wassergekühlten
Hohlwellen und damit eine bessere Wärmeisolierung. Die Flügel 15 werden vorteilhaft
an Halbschalen 16 angeordnet, die um die Welle 17 befestigt werden. Die Halbschalen
16 und die Flügel 15 können mit Halterungen 18 versehen werden, um ein Abplatzen
des um die Flügel und die Welle angesetzten Kokses zu verhindern.
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Die Außenkanten 19 der Linsenkörper bzw. der Flügel sind dem Verschleiß
am stärksten ausgesetzt.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, den Linsenkörper oder die Flügel
insgesamt aus hochwertigem und verschleißfestem Material zu erstellen. In den meisten
Fällen genügt es, die Spitzen oder Kanten aus besonders temperaturbeständigem und
verschleißfestem Material zu fertigen, das mit dem Linsenkörper durch Schweißung,
Schraubung, Klemmung od. dgl. verbunden wird.
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Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich gut für die
Behandlung aller selbst schwierigsten Materialien, die als Ausgangsstoffe für das
Verfahren gemäß der Hauptpatentanmeldung in Frage kommen.
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Sie kann mit Vorteil für alle in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen
Ausführungsformen der Spaltung und/oder Vergasung von bei der Behandlungstemperatur
gasförmigen, dampfförmigen und/ oder flüssigen Kohlenwasserstoffen angewendet werden.
Auch weitere Anwendungsmöglichkeiten im Rahmen des Verfahrens nach der Hauptpatentanmeldung
und andere Verfahren sind gegeben. Davon seien einige an Hand der schematischen
Abb. 11 beispielsweise näher erläutert.
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Darin ist 41 das Mischwerk, in dem die Kohlenwasserstoffe gespalten
und vergast werden, 25 eine pneumatische Förder- und Aufheizstrecke für die umlaufenden
feinkörnigen Wärmeträger, 24 der Raum für die Abscheidung der Wärmeträger aus den
Aufheizgasen, dessen unterer Teil zugleich Sammelraum für die Wärmeträger sein kann,
die wieder in das Mischwerk zurückkehren, 44 die Zuführung der zu verarbeitenden
Kohlenwasserstoffe, 45 der Zulauf der Wärmeträger zum Mischwerk, 46 der Ablauf der
Wärmeträger aus dem Mischwerk und 47 der Zulauf der Wärmeträger zur pneumatischen
Förderstrecke.
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Die aus dem Mischwerk ablaufenden Wärmeträger können in Behälter 49
mit Gasen oder Dämpfen behandelt werden, die durch die Leitung 51 und die in Behälter
49 vorgesehenen Verteileinrichtungen 53 eingeführt werden können. 29 ist eine Ableitung
für Gase od. dgl. mit der Absperrvorrichtung 30. In der Leitung 47 ist ein Regelorgan
54 vorgesehen. Das Heiz- und Fördermittel wird der pneumatischen Förderstrecke durch
die Leitung 28 zugeführt, und es werden die Gase aus dem Raum 24 durch die Leitung
26 zwecks Verwertung ihrer Wärme in die Vorrich-
tung 55, z. B. Abhitzekessel, geleitet,
den sie durch die Leitung 27 verlassen. 56 ist ein Regelorgan in der Leitung 45;
die Vorrichtung kann wie die nach Fig. 3 gemäß der Hauptpatentanmeldung betrieben
werden.
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Es kann aber auch eine Nachbehandlung der im Mischwerk erzeugten
Gase und Dämpfe im Mischwerk selbst erfolgen. Dies empfiehlt sich z. B., wenn die
Gase und Dämpfe in der Nachbehandlung höheren Temperaturen ausgesetzt werden sollen
als in der ersten Behandlungsstufe und die Nachbehandlung bei höheren Temperaturen
möglichst mit kurzer Reaktionszeit ausgeführt werden soll.
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Hierbei führt man die zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffe nicht
vorn am Anfang des Mischwerkes ein, sondern nach der ersten Hälfte oder etwas früher
oder auch später. Die Kohlenwasserstoffe werden durch die Wärmeträger bei ihrem
Durchgang durch das Mischwerk aufgeheizt und gespalten. Die erzeugten Gase und Dämpfe
werden entgegen der Strö.-mungsrichtung der Wärmeträger durch das Mischwerk geführt
und somit durch die Wärmeträger höherer Temperaturlage nachbehandelt. Sie werden
zweckmäßig aus dem Anfang des Mischwerkes, also in der Nähe des Einlaufes der aufgeheizten
Wärmeträger in das Mischwerk, abgezogen und dann in eine Kondensationsanlage bekannter
Bauart geführt. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht, die Kohlenwasserstoffe
im Gegenstrom zu den Wärmeträgern zunächst bei niedrigen und alsdann bei höheren
Temperaturen zu spalten.
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Statt die Kohlenwasserstoffe nach der ersten Hälfte des Mischwerkes
einzuführen, kann es gegebenenfalls auch von Vorteil sein, zwei Mischwerke anzuwenden;
alsdann werden die Kohlenwasserstoffe in das zweite Mischwerk gegeben und die erzeugten
Gase und Dämpfe in dem ersten Mischwerk, das die aufgeheizten Wärmeträger zunächst
durchströmen, nachbehandelt, während die Wärmeträger aus dem ersten Mischwerk in
das zweite weitergegeben werden.
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Eine ähnliche Wirkung wird erreicht, wenn die zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffe
zunächst in einem Wirbelbett gespalten werden und die erzeugten Gase und Dämpfe
alsdann ein Mischwerk im Gegenstrom zu den Wärmeträgern, die anschließend in das
Wirbelbett fließen, durchströmen. Auch hierbei werden die Kohlenwasserstoffe zunächst
bei tieferen Temperaturen und anschließend bei höheren Temperaturen behandelt. Diese
Wirkung kann unterstützt werden, wenn die Temperaturdifferenz der Wärmeträger zwischen
der Stufe, in der sie zuerst zur Anwendung gelangen, und der folgenden Stufe verhältnismäßig
groß, z. B. zwischen 100 und 2000 C, gehalten wird. Diese größere Temperaturdifferenz
kann dadurch leicht erreicht werden, daß für die gleiche Wärmeleistung in der heißesten
Stufe kleinere Wärmeträgermengen angewendet werden. Bei Anwendung eines Wirbelbettes
an Stelle einer Mischschnecke wird zweckmäßig darauf geachtet, daß die verarbeiteten
Kohlenwasserstoffe nicht Agglomerierungen oder Nester im Wirbelbett bilden, was
dadurch verhütet werden kann, daß die Kohlenwasserstoffe gasförmig oder ausreichend
flüssig in das Wirbelbett eingeführt werden.
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Nach Fig. 11 werden die zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffe in das
Mischwerk nahe seiner Mitte durch die Leitung 40 oder durch die Leitung 50 in den
Zwischenbunker 49 eingeführt und in dem zweiten Teil der Schnecke 41 bzw. im Zwischenbunker
49 mit den bereits teilweise abgekühlten Wärmeträgern behandelt, die in die Mischschnecke
durch die Leitung45 eintreten und durch die Leitung 46 aus der
Mischschnecke
in den Behälter 49 gelangen; die erzeugten Gase und Dämpfe werden im Gegenstrom
zu den Wärmeträgern durch die Mischschnecke 41 geleitet und daraus durch die Leitung
31 abgezogen.
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Erfolgt die Einführung der zu verarbeitenden Stoffe in den Behälter49,
so ist dessen Abführung 29 geschlossen, und es strömen die im Behälter 49 entstandenen
Gase und Dämpfe durch die Leitung 46 und durch das Mischwerk 41, um ebenfalls durch
die Leitung 31 abgezogen und zur Kondensation geleitet zu werden. In beiden Fällen
werden die zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffe zunächst bei niedrigen und darauf
bei höheren Temperaturen behandelt.
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Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß infolge der guten Wärmeausnutzung
bei der Behandlung der Kohlenwasserstoffe und bei der Abwärmeverwertung mit verhältnismäßig
großem Wärmeträgerumlauf gearbeitet werden kann. So können auf eine Gewichtseinheit
der zu verarbeitenden Ausgangsstoffe 5 bis 100 Gewichtseinheiten Wärmeträger angewendet
werden. In den meisten Fällen werden 30 bis 80 Gewichtseinheiten Wärmeträger auf
1 Gewichtseinheit Ausgangsstoffe im Umlauf gehalten. Die Menge der Wärmeträger wird
im allgemeinen um so größer gewählt, je weiter die Spaltung und/oder Vergasung der
zu verarbeitenden Stoffe getrieben werden soll. So wendet man vorteilhaft etwa 50
bis 80 Gewichtseinheiten Wärmeträger an, wenn man vorwiegend gasförmige Erzeugnisse,
z.B. Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenoxyd oder Stadtgas, herstellen will, während
für die Erzeugung von niedrigen Kohlenwasserstoffen, z. B. von Benzincharakter,
etwa 30 bis 60 Gewichtsteile Wärmeträger auf 1 Gewichtseinheit Ausgangsstoffe durch
die Apparatur geführt werden.
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Aus der Anwendung dieser großen Wärmeträgermengen ergibt sich der
weitereVorteil, daß die Spalt-und Vergasungsvorgänge schnell und in der jeweils
gewünschten Richtung verlaufen und daß eine störungsfreie Betriebsweise erreicht
wird.
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PATENTANSPRCHE: 1. Weitere Ausbildung des Verfahrens zur kontinuierlichen
Spaltung und/oder Vergasung von Kohlenwasserstoffen, die auch noch andere organische
Verbindungen, wie sauerstoffhaltige, schwefelhaltige, stickstoffhaltige Verbindungen,
wie Phenole enthalten können, mittels zweckmäßig im Kreislauf geführter Wärmeträger
nach Hauptpatentanmeldung M 21093 IVc/23b, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im gleichen
Sinn umlau-
fende, sich gegenseitig putzende Schnecken verwendet werden, in denen
die zu behandelnden Stoffe und die Wärmeträger gemischt werden.