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Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Umformung von Kohlenwasserstoffei
zu kohlenwasserstofffreiem oder kohlenwasserstoffarmem Brenngas Zur thermischen
Umformung von KohJenwasserstoffen zu Brenngas ist es bekannt, die umzuformenden
Kohilenwasserstoffe mit Vergasungsmitteln zu mischen und die Mischung allmählich
auf eine Temperatur zu erwärmen, bei. der einerseits eine Spaltung der Kohlenwasserstoffe
stattfindet und andererseits, je nach den Vergasungsmitteln, z. B. ein Waseergaspro,-zeß
oder ein anderer Vergasungsprozeß aktiv ist. Die rußfreie Umformung von insbesondere
höheren Kohtlenwasserstoffen ist so nicht gelungen. Es ist bekannt, die rußfreie
thermische Umformung von Kohlenwasserstoffei zu kohlenwasserstofffreiem oder -armem
Brenngas durch die Rückführung von Wälzgas neben den Vergasungsmitteln in den Prozeß
zu verwirklichen. Bei diesem Verfahren sind jedoch insbesondere bei höheren Kohlenwasserstoffei
umvorteilhaft große Wälzmengen erforderlich.
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Verzichtet man auf Wälzgas und arbeitet man nach dem eingangs beschriebenen
Verfahren, so tritt Rußbildung ein, woran die bekannten Verfahren gescheitert sind.
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Für eine andere Aufgabe, nämlich bei der Herstellung von gasförmigen
Kohlenwasserstoffeh aus Öl ist es bekannt, die flüssigen Kohlenwasserstoffe bis
auf eine Temperatur unterhalb der Zerfallstemperatur vorzuwärmen und danach zur
Krackung in ein heißes Gas einzuführen. Die thermische Umformung von Kohlenwasserstoffei
zu einem daran armen oder davon freien Brenngas ist durch diese Maßnahmen nicht
beeinflußtworden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei der thermischen Umformung
von Kohlenwasserstoffeh zu Brenngas, wie Stadtgas, ,die Rußhildung nicht nur zu
vermindern, sondern sie überhaupt zu vermeiden. Die Erfindung geht dabei von der
Erkenntnis aus, daß es für alle Kohlenwasserstoffe temperaturbedingte Zerfalimechani.,smen
gibt, bei denen in Anwesenheit von Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf oder Kohlendioxyd,
Rußbildung nicht eintritt. Die Erfindung will diese Mechanismen verfahrensmäßig
verwirklichen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischien Umformung von
Kohlenwasserstoffei zu kohlenwasserstofff reiem oder kohlenwasserstoffarmem Brenngas
mit Hilfe von Vergasungsmitteln, wie Wasserdampf und besteht denn, daß die Vergasungsmittel
auf eine so weit oberhalb der Spaltungstemperatur der Kohlenwasserstofffe liegende
Temperatur, bei der die Vergasungsreaktion, z. B. Wassergasreaktion, bereits aktiv
ist, aufgeheizt werdjen, daß bei der nachfolgenden Mischung der Kohlenwasserstoffe
mit den Vergasungsmitteln die Temperatur der Mischung noch wesentlich oberhalb der
Zerfallstemperatur der Kohlenwasse.rstoffe liegt, und daß die Mischung in einem
durch Wärmespeicher erhitzten Reaktionsraum vorgenommen bzw. eingeführt wird, dessen
Temperatur rußende Zerfallsreaktionen der Kohlenwasserstoffe nicht mehr zud:äßt.
Im allgemeinen wird man eine Aufheizung der Kohlenwasserstoffe auf Temperaturen
von z. B. 1200 bis 140d° C vornehmen, wobei auch die Reaktionsräume, in welche die
Mischung eingeführt oder in denen die Mischung durchgeführt wird, eine entsprechende
Temperatur besitzen sollen. Die Verhältnisse werden demnach bei der Erfindung so
gewählt, daß auch nach der Mischung der Kohlenwasserstoffe mit den Vergasungsmiitteln
die Temperatur der Mischung noch wesentlich oberhalb der ZerfaIlsteanperatur und
infolge der Einwirkung der hocherhitzten Reaktionsräume unmittelbar in dem Bereich
liegt, in dem die Vergasungsreaktionen, wie die Wassergasreaktionen, aktiv sind.
Die Erfindung arbeitet demnach bezüglich ,der Behandlung der umzuformenden Kohlenwasserstoffe
gleichsam mit einem Temperatursprung, der sich durch die besahriiebenen Maßnahmen
verwirklichen läßt.
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Es empfiehlt sich, das erfindungsgemäße Verfahren so durchzuführen,
daß die Mischung erst am Rande des durch den heißen Reakfiioneraum gegebenen Reaktionsfeldes
vorgenommen wird und bereits an diesem Rande eine rußende Reaktion nicht mehr zulassende
Temperatur erzeugt wird. Die Vergasungsmittel sohlen dabei zumindest die Temperatur
aufweisen, die am Rande des Reaktionsfeldes herrscht. Es kann sich empfehlen, eine
weitere Erhöhung der Temperatur der Vergasungsmittel durchzuführen, was durch Verbrennu.ngsreaktioncn
von der Mischung mit dem Kohlenwasserstoffen
zweckmäßig e#foIigt:-.Die.Kohlenwasserstoffe
selbst können vorge@ciit ogei: ä:uch in kaltenn Zustand in der beschriebenen Weise
in das Verfahren eingeführt werden. Im allgemeinen wird man die Vere asungsmittel
regenerativ e#rhifzen. Aüch kann den ergasungsmitteln Produktionsgas als-Rückgas
bei= gegeben werden, welches dann mit den Ve.rgasungstnitteln erhitzt wird: ,.-.-Das
gTfindungsgemäße Verfahir_cn läßt sich auch in mehreren Stufen dergestalt durchführen,
daß nach erfolgter Umformung eingefü'lirteT -Kohlenwasserstoffe zu einem Brenngas
in diesen- beißen. Bren.ngasstrom, gegebenenfalls nach Einhregnen von Luft, erneut
Kohlenwasserstoffe zur weiteren Umformung in der beschriebenen Weise eingeführt
werden.
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Die durch die Erfindung. erreichten Vorteile sind vor allem darin
zu sehen, daß durch den Temperatursprung, den bezüglich der Behandlung der Kohlenwasserstoffe
die Erfindung verwirklicht, die Kohlenwasserstoffe in die Temperaturzonen nicht
oder zumindest nur unerheblich kurze Zeit hineinkommen, in denen Rußbildung möglich
ist. Die Kohlenwasserstoffe werden vielmehr sprungweise in einen Temperaturbereich
eingehoben,-iri 'dem bei Anwesenheit der Vergasungsmittel rußbildende Zerfallsreaktionen
nicht mehr möglich sind. Im einzelnen ist dazu folgendes zu bemerken Soll ein Kohlenwasserstoff
thermisch und ohne Rußbildung zum Zerfall gebracht werden, so muß er nach erfinderischer
Erkenntnis in tatsächlicher Berührung mit ausreichenden Mengen an Vergasungsmitteln,
wie Kohlendioxyd, Wasserdampf oder gegebenenfalls auch Sauerstoff, unter schneller
Durchfahrung eines kritischen Temperaturbereiches, in dem bevorzugt Rußbildung auftritt,
ausreichend hoch erwärmt werden. Bekannte Verfahren zur Vergasung von Kohlenwasserstoffen
verstoßen häufig gegen diese Regel, beispielsweise indem Kohlenwasserstoff und die
Vergasungsmittel miteinander nicht hinreichend vermischt sind. Das ist, abgesehen
von thermisch arbeitenden Apparaturen, . äuch in eurer Diffusionsflamme, z. B. .in
einem Gasbrenner, der Fall, der ohne Primärluft betrieben wird, so -daß das Gas
mit der Umgebungsluft verbrennt. .Die Wärmequelle ist hier der Flammenmantel. Die
Wärme dringt von dort in den Flammenkern und findet hier zwar viel Kohlenwasserstoffe,
aber wenig Vergasungsmittel. Ist das Flammenvolumen groß, so rußt die Flamme. In
ähnlicher Weise kann bei langsamer Erwärmung Bußbildung auftreten, wenn zwar Kohlenwasserstoffe
und Vergasungsmittel in hinreichender Menge und vermischt zur Verfügung stehen.
Das ist z. B. in einem Cowper zur thermischen Umformung der Fall, in dem der Besatz
zu grobstückig -ist und der daher von dicken Gassträhnen durchströmt wird. Im Sinne
eines rußfreien Zerfalls und ruffreier Umsetzung empfiehlt sich daher, a) vollständige
vorherige Vermischung, aller als nötig erkannten Reaktionspartner, wie Kohlenwasserstoffe,
Luft, Wälzgas, Wasserdampf, sowie b) schnellste Erwärmung ;der. Mischung zur Umsetzung
bei hoher Temperatur.
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Die Erfindung verwirklicht im Sinne dieser -Erkenntnis eine möglichst
schnelle Umsetzung.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
beschriebenen Verfahrens. Nach der Erfindung ist eine derartige Vorrichtung gekennzeichnet
durch einen Reaktor mit einem Aufheizungsregenerator für Vergasungsmittel und gegebenenfalls
Wälzgas, eine beim Umforrfiüngsprozeß in Strömungsri-chtue nachgeschaltete Brennkammer
zur Erhöhung d-cr- T-emperätür der aus dem Aufheizungsgenerator austretenden Vergasungsmittel,
eine Mischvorrichtung für die aufgeheizten Vergasungsmittel mit den Kohlenwasserstoffen
sowie unmittelbar daran angeschlossene - Reakfiionswärmespeicher für die Durchführung
der Umformungsreaktion sowie einen Abhitzeregenerator. Es empfiehlt sich, daß die
Regenerationswärmespeicher geteilt sind, wobei zwischen dem einzelnen Regeneratoren
umzuformende Kohlenwasserstoffe erneut in den Strom der erzeugten Gase eingeführt
werden können.
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Um den Temperatursprung der umzuformenden Kohlenwasserstoffe besonders
wirksam zu verwirklichen, empfiehlt die Erfindung eine Ausbildung der Regeneratoren,
in denen ein Temperaturgefälle kaum herrscht, so daß ein allmähliches Erwärmen der
Kohlenwasserstoffe möglichst unterdrückt ist. Die Erfindung erreicht dieses durch
den Vorschlag, daß die Regeneratoren als liegende Regeneratoren ausgebildet und
liegend, wenn auch in räumlicher Anordnung übereinander, mehrfach hintereinandergeschaltet
sind.
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Die liegenden Regeneratoren können dabei rohrförmig ausgebildet sein,
wobei es sich empfiehlt, über die Länge dieser liegenden rohrförmigen Regenoratoren
von unten in diese über ihre Länge die umzuformenden Kohlenwasserstoffe einzuführen
sowie im Kreuzstrom dazu durch die Vergasungsmittel zu führen; die nach Mischung
mit den umzuformenden Kohlenwässerstoffen gemeinsam in das nachgeschaltete Reaktionsgitterwerk
eintreten.
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Die Erfindung wird an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert; es zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung zur- Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in der sogenannten Heizperiode, Fig. 2 eine Vorrichtung
zur- Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Fig, 1 in der sogenannten
Umgasungsperiode und die Fig.3 und 4 Einzelheiten bezüglich der baulichen Ausbildung
der Regeneratoren für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung besteht aus ein=em Reaktor
1 mit einem Aufheizun.gsregenerator 1 a für Vergasungsmittel und einer nachgeschalteten
Brennkammer 1 h zur Erhöhung der Temperatur der aus dem Aufheizungsregenerator austretenden
-\7ergasungsmittel. Eine Mischkammer 1 c ist-nachgeschaltet und -an die Mischkammer-
schließen sich Reaktionswärmespeicher 1 d, 1 e mit Zwischenschaltung eines Abstandes
1 f an. Ein Abhitzeregenerator 2 ist nachgeschaltet.
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In der sogenannten Heizperiode wird das beim vorangegangenen Umgasen
aufgeladene Gitterwerk des Regenerators 2 durch die Leitung 3 mit Luft beschickt.
Sie gelangt aufgeheizt in die Brennkammer 2a und verbrennt hier das bei 4 eingefahrene
Heizgas. Das heiße Rauchgas tritt durch die Leitung 5 in den Reaktor 1 über und
gibt bis zum Austritt seine Wärme an die hintereinandergeschalteten Gitterwerke
1 e, 1 d. 1 a ab.
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Nach dem Umschalten auf Umgasen, d. h. auf den eigentlichen Umformungsprozeß,
wird das Verfahren, wie die Fig. 2 andeutet, ausgeführt. In den Reaktor 1 werden
nacheinander eingefahren, bei 6 Wasserdampf oder Wasserdampf und Rückgas aus der
Leitung 7, bei 8 Heizgas und Luft oder Sauerstoff, bei 9 und/oder 10 umzuformende
Kohlenwasserstoffe oder umzuformende KohlenwasserstoffeundWasserdampf.
Im
Gitterwerk 1 a der erwähnten Regeneratoren ,werden die zugeführten 11edien nur vorgeheizt
und oberhalb davon in der Brennkammer 1 b durch Einbrennen von Sauerstoff oder auch
durch die Flammenreaktion einer bunsenbrennerartigen Einrichtung noch höher aufgeheizt.
Bei den dann folgenden Überführungen des Gases aus dem Aufheizungsregenerator in
die Reaktionswärmespeicher 1 d und 1 e werden diese Vergasungsmittel oder gegebenenfalls
die Mischung aus Vergasungsmitteln und Rückgas mit dem bei 9 und/oder 10 gleichzeitig
einzufahrenden Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoff und Dampf in der Mischkammer
10 gemischt. worauf in den Gitterwerken 1 d und/oder 1 e die Umgasungsreaktionen
verlaufen. Das erzeugte Spaltgas nimmt seinen weiter-,-n Weg von 1 e über die Leitung
5 und den Abhitzeregenerator 2 nach außen. Die umzuformenden Kohlenwasserstoffe
werden zweckmäßig selbst nicht vorgeheizt oder zumindest nur auf sehr niedrigere
unterhalb der Zerfallstemperatur liegende Tempeeraturen. Der Temperatursprung wird
durch eine Mischung der umzuformenden Kohlenwasserstoffe mit den heißen Vergasungsmitteln
verwirklicht.
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Die Fig. 3 und' 4 lassen erkennen, wie eine solche Mischung in konstruktiver
Verwirklichung zweckmäßig erfolgt. Durch die Rohrleitung 11 und die daran angeschlossenen
einzelnen Einführungsstutzen 12 treten die umzuformenden Kohlenwasserstoffe in feinstrahliger
Verteilung in einen unteren Sohlkanal-Raumteil 13 eines liegenden Regenerators 14
ein, der beispielsweise den Regenerator 1 d des Schaltschemas der Fig. 1 und 2 entspricht.
Schon infolge der Kreuzstromführung zwischen den Vergasungsmitteln, die in Richtung
des Pfeiles 15 eintreten und den umzuformenden Kohlenwasserstoffen wird eine innige
Durchrnischung erreicht, die noch verbessert wird durch die diisenbode.nartige Ausbildung
der Sohle 16 des Gitterwerkes 17. In den düsenartigen Durchtrittsöffnungen 16a der
Sohle 16 werden gleichsam turbulente Durchmischungen erzielt. so daß im nachgeschalteten,
hocherhitzten Speicherwerk 17 rußfreie Vergasungsreaktionen ablaufen können. Im
übrigen lassen die Fig. 3 und 4 erkennen, daß mehrere liegende Regeneratoren rohrförmiger
Ausbildung wie die Regeneratoren l d,
1 e hintereinandergeschaltet sind. Diese
Anordnung ist getroffen. um im Regenerator selbst einen möglichst geringen Temperaturanstieg
bezüglich der Temperaturverteilung verwirklichen zu können, so daß die umzuformenden
Medien nicht allmählich, sondern plötzlich und sprunghaft auf die Reaktionstemperatur
gebracht werden.