DE1013386B

DE1013386B - Vorrichtung zur Umwandlung gasfoermiger oder fluessiger Kohlenwasserstoffe

Info

Publication number: DE1013386B
Application number: DEG19334A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Techn Max Gerhold
Original assignee: MAX GERHOLD DIPL ING DR TECHN
Current assignee: MAX GERHOLD DIPL ING DR TECHN
Priority date: 1956-04-04
Filing date: 1956-04-04
Publication date: 1957-08-08
Also published as: GB856933A

Description

Vorrichtung zur Umwandlung gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoffe Die bekannten Vorrichtungen zur Umwandlung gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoffe (z. B. Butan od. dgl., Erdöl oder dessen Rückstände) weisen nur einen Reaktionsraum auf, in dem, nachdem er auf die nötige Temperatur aufgeheizt ist, die Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf, Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen in niedermolekulare Kohlenstoffverbindungen (wie C H4, C O) und Wasserstoff umgewandelt werden. In einer solchen Vorrichtung ist jedoch der Ablauf der Reaktion nur schwer so zu lenken, daß immer das gewünschte Endprodukt in etwa gleichbleibender Zusammensetzung erhalten wird, da unkontrollierbare Nebenreaktionen ablaufen. Unter anderem entstehen bei der Umsetzung wechselnd große Mengen an Aromaten, Teer usw. und elementarem Kohlenstoff in Form von Ruß; Stoffe, die, wie allgemein bekannt ist, den Reaktionsablauf stören, die Ausbeute an gewünschten Endprodukten vermindern und deren Weiterverwendung erschweren.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in der die Reaktion so gelenkt werden kann, daß immer das gewünschte Endprodukt in etwa gleichbleibender Zusammensetzung erhalten wird und unkontrollierbare Nebenreaktionen weitgehend vermieden werden.
Wie festgestellt wurde, läuft die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in zwei Phasen ab, erstens der Spaltphase, in der die Kohlenwasserstoffe gespalten, und zweitens der Umsetzungsphase, in der die Spaltstücke aus der ersten Phase mit Wasserdampf, Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen zu niedermolekularen Kohlenstoffverbindungen (C H4, Co) und Wasserstoff umgesetzt werden.
Die in der Spaltphase erforderliche Temperatur ist dabei geringer als die in der Umsetzungsphase und ist um so niedriger, je größer das Molekulargewicht der umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe ist, während die in der Umsetzungsphase erforderliche Temperatur um so höher ist, je größer das Molekulargewicht der umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe ist.
In den bekannten Vorrichtungen zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen werden Spalt- und Umsetzungsphase gleichzeitig in einem einzigen Reaktionsraum durchgeführt. Die Temperatur in diesem Reaktionsraum muß gleich der Umsetzungstemperatur sein. Für die Umwandlung niedermolekularer Kohlenwasserstoffe, z. B. C2 H6, ist dies ohne größere Bedeutung, da Spalt- und Umsetzungstemperatur nahe beieinanderliegen. Bei höher- und hochmolekularen Kohlenwasserstoffen, deren Spalttemperatur erheblich niedriger ist als die Umsetzungstemperatur, laufen aber bei der Umsetzung, dadurch, daß diese Kohlenwasserstoffe direkt der hohen Umsetzungstemperatur ausgesetzt werden, unkontrollierbare Nebenreaktionen ab, die mit steigendem Kohlenstoffgehalt des Kohlenwasserstoffes an Umfang zunehmen.
Nach der Erfindung ist daher der Reaktionsraum in eine Spaltzone und eine dieser nachgeschalteten Umsetzungszone unterteilt, und die Einführungen für Wasserdampf, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase sind zwischen den beiden Zonen angeordnet.
In einer solchen Vorrichtung können sowohl in der Spalt- als auch in der Umsetzungszone die für die Umwandlung der Kohlenwasserstoffe in ein bestimmtes Endprodukt erforderlichen Temperaturen genau eingestellt werden. Die Kohlenwasserstoffe werden erst nach ihrer Spaltung gemeinsam mit Wasserdampf, Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen der höheren Umsetzungstemperatur ausgesetzt. Unkontrollierbare Nebenreaktionen können so weitgehend verhindert werden.
In der Spaltzone sind, sollen in der Vorrichtung thermisch/katalytische Verfahren durchgeführt werden, elektronenüberschußleitende Spaltkatalysatoren, z. B. solche aus reinen oder gemischten oxydischen Verbindungen der Elemente Al, Mg, Ca, Zn, Cd, Si, B, Sn, Li, Ti, Be, Zr, Mo usw. allein oder in Mischung miteinander, angeordnet, an denen die hochmolekularen Kohlenwasserstoffe vornehmlich in der Mitte gespalten werden. Als Endprodukte der Spaltung entstehen hauptsächlich Bruchstücke mit 2, 3 und 4 Kohlenstoffatomen.
In der Umsetzungszone sollen in solchem Falle bifunktionelle Dehydrierungskatalysatoren, vornehmlich Schwermetalle, Metalloxyde bzw. Metallsulfide, auf inerter Trägersubstanz, z. B. Mischungen aus A12 03 und Si 02; Mg0 und Si O., vorhanden sein, welche die Umsetzungsgeschwindigkeit des in der ersten Phase gebildeten Spaltgases mit Wasserdampf, Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen bedeutend beschleunigen.
Das Austrittsende der Umsetzungszone und das Eintrittsende der Spaltzone können durch einen Gasrückführungskanal miteinander verbunden sein, durch den ein Teilstrom des erzeugten Gasgemisches am Eintrittsende der Spaltzone in den Reaktionsraum zurückgeführt werden kann, zur Erhöhung des Wasserstoff -partialdruckes im Reaktionsraum.
Am Eintrittsende der Spaltzone werden noch Zuführungen angeordnet, durch die Wasserdampf, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase in die Spaltzone eingeführt werden können, durch welches die Bildung von Aromaten, Teer usw. sowie die Abscheidung von Ruß in der Spaltzone noch weiter vermindert wird.
Die Einführungen für Dampf, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase und für den Teilstrom des erzeugten Gasgemisches in die Spaltzone können auch zu einer gemeinsamen Einführung zusammengefaßt sein. Der Gasrückführungskanal endet dann in die Zuführung für Wasserdampf, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase, in welcher zweckmäßig ein Treibdüsensatz angeordnet ist, durch welchen unter Druck zugeführter Wasserdampf bzw. Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase den zurückzuführenden Teilstrom des erzeugten Gasgemisches ej ektorartig ansaugt und dann das Gemisch aus Wasserdampf bzw. Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen und dem Teilstrom des erzeugten Gasgemisches in den Reaktionsraum treibt.
Oft liefern die während der Gasungsperiode im Reaktionsraum abgeschiedenen Stoffe, vor allem Kohlenstoff, bei ihrer Verbrennung in der Heizperiode nicht genügend Wärme, um den Reaktionsraum wieder auf die erforderliche Temperatur aufzuheizen. Im Wandmauerwerk des Reaktionsraumes am Austrittsende der Umsetzungszone sind daher ein oder mehrere Brenner eingebaut, in denen C51 oder andere Brennstoffe verbrannt werden können, wenn durch die Verbrennung der im Reaktionsraum abgeschiedenen Stoffe nicht genügend Wärme erzeugt wird, den Reaktionsraum auf die erforderliche Temperatur aufzuheizen.
Auch zwischen der Umsetzungszone und Spaltzone können im Wandmauerwerk des Reaktionsraumes noch ein oder mehrere Brenner angeordnet sein, die in Tätigkeit gesetzt werden, wenn bei der Aufheizung in der Umsetzungszone zwar die erforderliche Temperatur erreicht ist, aber noch nicht in der Spaltzone.
Weiter sind zwischen Spalt- und Umsetzungszone noch Einführungen vorhanden, durch die während der Heizperiode Wasserdampf, kalte Luft oder andere kalte Gase in die Spaltzone eingeführt werden können, wenn in der Spaltzone die erforderliche Temperatur erreicht ist, in der Umsetzungszone aber noch nicht.
An dem Austrittsende der Umsetzungszone und/ oder dem Eintrittsende der Spaltzone werden zweckmäßig noch Wärmeaustauscher vorgesehen. Der Wärmeaustauscher am Austrittsende der Umsetzungszone wird durch das erzeugte heiße Gasgemisch aufgeheizt und gibt in der Heizperiode die aufgenommene Wärme an die zur Verbrennung der im Reaktionsraum abgeschiedenen Stoffe in diesen eingeführten sauerstoffhaltigen Gasen, vor allem Luft, ab. Der Wärmeaustauscher am Eintrittsende der Spaltzone wird in der Heizperiode durch die heißen Abgase aufgeheizt und dient in der Gasungsperiode zur Vorwärmung des in die Spaltzone eingeführten Wasserdampfes bzw. der Luft oder den anderen sauerstoffhaltigen Gasen und des rückgeführten Teilstromes des erzeugten Gasgemisches.
Die Umsetzungszone ist zweckmäßig gegenüber der Spaltzone in ihrem Querschnitt erweitert, da durch die Einführung von Wasserdampf, Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen und durch die Umsetzung das Volumen des Gasgemisches in der Umsetzungszone bedeutend größer wird.
In den Fig. 1 und 2 sind zweckmäßige Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt.
In der Vorrichtung nach Fig. 1 liegen Spalt- und Umsetzungszone in einem Reaktionsraum übereinander. Bai sich ergebender großer Bannhöhe können sie auch nebeneinander angeordnet sein. Besonders günstig ist es, wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, die Umsetzungszone um die Spaltzone herum angeordnet ist, die beiden Zonen durch Mauerwerk getrennt sind und zwischen Trennmauerwerk und Decke der Vorrichtung ein freier Zwischenraum vorhanden ist, durch den das Austrittsende der Spaltzone und das Eintrittsende der Umsetzungszone miteinander verbunden sind.
In den Figuren ist 1 die Spaltzone mit einem Gitterwerk oder einer Schüttung 2 aus Spaltkatalysatoren und dem Wärmeaustauscher 3 an ihrem Eintrittsende. 4 ist die Umsetzungszone mit einem Gitterwerk oder einer Schüttung 5 aus Dehydrierungskatalysatoren und dem Wärmeaustauscher 6 an ihrem Austrittsende. 7 in Fig. 2 ist das Trennmauerwerk zwischen Spaltzone 1 und Umsetzungszone 4, welches nicht bis ganz unter die Decke 24 reicht. Das Austrittsende der Spaltzone 1 und das Eintrittsende der Umsetzungszone 4 sind durch den zwischen Trennmauerwerk 7 und Decke 24 verbleibenden freien Zwischenraum 8 miteinander verbunden. 9 sind die Einführungen für die umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe, 10 die Zuführungsleitungen für diese. Durch die Leitung 11 und die Einführung 12 wird der für die Umwandlung in der Umsetzungszone benötigte Wasserdampf eingebracht. Das fertige Endprodukt zieht durch den Kanal 13, der während der Heizperiode zur Einführung von Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen dient, aus dem Reaktionsraum ab. Von der Leitung 13 zweigt der Gasrückführungskanal 14 ab, durch den ein Teilstrom des erzeugten Gasgemisches durch die Einführung 15 am Eintrittsende der Spaltzone in den Reaktionsraum zurückgeführt werden kann. Gegebenenfalls kann am Eintrittsende der Spaltzone auch noch über die Leitung 17 durch die Einführung 18 Wasserdampf. Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase in die Spaltzone eingeführt werden. Gasrückführungskanal 14 und die Leitung 17 können noch durch den Kanal 25 miteinander verbunden und in der Leitung 17 hinter der Einführung des Kanals 25 in diesen noch ein Treibdüsensatz 26 angeordnet sein, um den Teilstrom des erzeugten Gasgemisches und Wasserdampf, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase auch gemeinsam in die Spaltzone einführen zu können. Das heiße Endprodukt kann noch durch einen weiteren Wärmeaustauscher 16, z. B. einen Abhitzekessel, geleitet werden zur Erzeugung des über die Leitung 11 durch die Einführung 12 in die Umsetzungszone und des gegebenenfalls über die Leitung 17 durch die Einführung 18 an ihrem Eintrittsende in die Spaltzone eingeführten Wasserdampfes. 19 sind Brenner, durch die, so die durch die Verbrennung der während der Gasungsperiode in den Katalysatoren abgeschiedenen Stoffe gewonnene Wärme nicht zur Aufheizung der Spalt- und Umsetzungszone auf die erforderliche Temperatur ausreicht, dem Reaktionsraum weitereWärme zugeführt werden kann. 20 ist ein Brenner, der dann in Tätigkeit gesetzt wird, wenn während der Heizperiode die Umsetzungszone bereits auf die erforderliche Temperatur erhitzt ist, die Spaltzone aber noch nicht. Die verschließbare Öffnung 21 dient zur Einführung von Wasserdampf, kalter Luft oder anderen kalten Gasen, um eine überhitzung der Spaltzone zu vermeiden, wenn in der Heizperiode die Spaltzone bereits die obere Temperaturgrenze erreicht hat, die Umsetzungszone jedoch nicht. Die Abgase verlassen den Reaktionsraum durch den Kanal 22, in dem gegebenenfalls noch ein Wärmeaustauscher 23 eingebaut ist, in welchem Reaktionsteilnehmer, z. B. die umzuwandelnden Kohlenwasserstoffe, vorgewärmt werden können.

Claims

PATEN TA NS PR ÜCHE: 1. Vorrichtung zur Umwandlung gasförmiger oder flüssiger Kohlenwasserstoffe in im wesentlichen aus niedermolekularen Kohlenwasserstoffverbindungen und Wasserstoff bestehende Gase, gekennzeichnet durch einen in eine Spaltzone (1) und eine dieser nachgeschalteten Umsetzungszone (4) unterteilten Reaktionsraum.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in der Spaltzone angeordnete Spaltkatalysatoren (2) und/oder in der Umsetzungszone angeordnete Dehydrierungskatalysatoren (5).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Gasrückführungskanal (14) zwischen dem Austrittsende der Umsetzungszone (4) und dem Eintrittsende der Spaltzone (1).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine oder mehrere am Eintrittsende der Spaltzone (1) angeordnete Zuführungen (18) für Wasserdampf, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Verbindungskanal (25) zwischen Gasrückführungskanal (14) und der Zuführungsleitung (17) für die Zuführung von Wasserdampf, Luft oder anderen sauerstoffhaltigen Gasen zur Einführung (18) sowie einem Treibdüsen-Satz (26) in der Zuführungsleitung (17) hinter der Einmündung des Verbindungskanals (25) in diese.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen oder mehrere im Wandmauerwerk des Reaktionsraumes hinter den Katalysatoren (5) der Umsetzungszone (4) angeordnete Brenner (19).
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen oder mehrere zwischen der Umsetzungszone (4) und der Spaltzone (1) im Wandmauerwerk des Reaktionsraumes angeordnete Brenner (20). B.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine oder mehrere zwischen der Umsetzungszone (4) und der Spaltzone (1) angeordnete Einführungen (21) für Wasserdampf, kalte Luft oder andere kalte Gase.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch in der Spaltzone (1) vor den Spaltkatalysatoren (2) und/oder in der Umsetzungszone (4) hinter den Dehydrierungskatalysatoren (5) angeordnete Wärmeaustauscher (3, 6).
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine gegenüber der Spaltzone (1) in ihrem Ouerschnitt erweiterte Umsetzungszone (4).
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Spaltzone (1) und eine um diese angeordnete durch Mauerwerk von ihr räumlich getrennte Umsetzungszone (4) sowie einen freien Zwischenraum (8) zwischen Trennmauerwerk (7) und Decke (24) der Vorrichtung, durch den das Austrittsende der Spaltzone (1) und das Eintrittsende der Umsetzungszone (4) miteinander verbunden sind.