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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von brennbaren Gasen durch
katalytisches Spalten flüssiger Brennstoffe Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Erzeugen von brennbarem Gas durch Spalten eines hochflüchtigen, flüssigen Brennstoffes
mit Wasserdampf bzw. Wasserdampf und Luft oder Wasserdampf und Sauerstoff, wobei
der flüssige Brennstoff durch direkte Berührung mit heißem Abflußwasser aus dem
Gaswasch- und Kühlsystem verdampft, unverdampfter flüssiger Brennstoff entfernt
und der verdampfte Brennstoff mit Wasserdampf gesättigt wird. Dadurch wird das abfließende
Wasser gekühlt und zum Gaswasch- und Kühlsystem zurückgeleitet.
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Bei Anlagen zur Erzeugung von Gasen durch katalytisches Spalten von
flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, z. B. Flüssiggas, mit Dampf oder mit Dampf
in Verbindung mit Luft oder Sauerstoff, gehen Spaltreaktionen bei hohen Temperaturen
vor sich, wobei das erzeugte Gas, das die Reaktionskammer verläßt, eine beträchtliche
Wärmemenge mit sich führt.
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Beispielsweise bei der Erzeugung von Gas, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxyd,
Kohlendioxyd und Wasserstoff besteht, durch das zyklische Aufspalten von Flüssiggas
mit Dampf über einem Nickelkatalysator kann die Temperatur des die Katalysatorkammer
verlassenden erzeugten Gases in der Größenordnung von 600 bis 650° C liegen. Nach
dem Durchströmen eines Abhitzekessels liegt die Temperatur des in die Gaswasch-
und Kühlanlage einströmenden Gases bei etwa 340° C.
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Im allgemeinen wird das erzeugte Gas bei einem solchen Verfahren im
wesentlichen auf Außentemperatur abgekühlt, und zwar mit Hilfe von Gaswaschanlagen,
die nicht nur die Temperatur des Gases herabsetzen, sondern es auch gleichzeitig
von flüssigen und festen Verunreinigungen befreien. Als Kühl- und Waschflüssigkeit
wird in der Regel Wasser verwendet. Bei großen Gaserzeugungsanlagen ist es erforderlich,
das Wasservolumen möglichst zu erhalten und den Waschanlagen erneut zuzuleiten.
Dies kann nur erfolgen, wenn die Temperatur des benutzten Wassers vor der Rückgewinnung
und der Zuleitung zunächst herabgesetzt wird, wozu Wasserkühler eingesetzt werden
müssen, in denen das warme Wasser mit der Außenluft in Berührung gebracht wird.
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Eine derartige Wasserkühlanlage bildet einen kostspieligen Bestandteil
der Gesamtanlage. Während sie den Wasserverbrauch herabsetzt, bietet sie jedoch
kein Hilfsmittel zur Rückgewinnung der aus dem heißen Gas zu entziehenden Wärme.
Die dem Wasser in den Waschanlagen entzogene Wärmemenge ist beträchtlich, ob nun
Wasserkühler vorgesehen sind oder nicht. Normalerweise wird die Wärme nicht ausgenutzt
und geht während des Prozeßes verloren.
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Wenn ein hochflüchtiger Brennstoff, wie z. B. Flüssiggas, bei einem
Spaltvorgang verwendet wird, ist es ferner ratsam, den Brennstoff zunächst zu verdampfen
und ihn in gasförmigem Zustand in die Gaserzeugungsanlage einzuleiten, da hierdurch
die technischen Schwierigkeiten vermieden werden, die mit der Brennstoffeinspritzung
in die Behälter durch Düsen, wie z. B. bei schwereren Zulaufmedien, verbunden sind.
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Den Gaserzeugungskammern muß zur Verdampfung des Mediums entweder
von außen oder von innen Wärme zugeführt werden, was eine wesentliche Belastung
für den Arbeitsvorgang darstellt. Bei einer Gaserzeugungsanlage, die beispielsweise
täglich über 500 0001 verflüssigtes Butan verarbeitet, beträgt die Wärmeaufnahme
ungefähr 45 Millionen Kilokalorien täglich, die bei der Umformung des Mediums vom
flüssigen Zustand mit Außentemperatur zu Gas mit einem Druck, der zum Einführen
in die Anlage geeignet ist, aufgenommen werden.
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In Fällen, wo das Medium vor dem Einführen in die Gaserzeugungsanlage
verdampft wird, ist es üblich, diese Verdampfung durch indirekte Berührung mit Dampf
zu bewirken. Das Verfahren ist kostspielig, wobei außerdem der verwendete Dampf
nicht mit dem verdampften Brennstoff gemischt wird und zur Deckung des Dampfbedarfs
beiträgt.
Ausgehend von dem Grundgedanken der Erfindung wird der
niedrigerhitzte an Stelle des hocherhitzten Dampfes für die Verdampfung der hochflüchtigen
Flüssigkeit, die als Medium in dem Prozeß verwendet wird, ausgenutzt. Ein Teil des
für die Gaserzeugungsreaktionen des Prozeßes benötigten Wasserdampfes wird gleichzeitig
mit dem verdampften Medium gemischt, wodurch sich der Dampfverbrauch und die Wärmeaufnahme
äußerst wirtschaftlich gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das heiße Abflußwasser
aus dem Gaswasch- und Kühlsystem im Gegenstromprinzip mit dem verdampften Brennstoff
die Sättigungsanlage durchströmt und in direkter Berührung mit dem verdampften flüssigen
Brennstoff im Verdampfer zusammentrifft, wobei es zwischenzeitlich in einer Trennvorrichtung
vom nichtverdampften flüssigen Restbrennstoff getrennt wird.
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Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß ein hoher Sättigungsgrad des
verdampften Mediums mit Wasserdampf und dadurch größtmögliche Wirtschaftlichkeit
für die Reaktionen der katalytischen Vergasung erreicht wird.
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Ferner wird durch einen solch hohen Sättigungsgrad gewährleistet,
daß keine anschließende Verflüssigung von Bestandteilen der verdampften Mischung
mit Ausnahme des Wassers eintritt, wenn während des Mischungsflusses zu den Eintrittsöffnungen
der Gaserzeugungsanlage eine starke Abkühlung auftreten sollte.
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Es ist zwar bekannt, der eigentlichen Spaltung in der Dampfphase eine
Vorspaltstufe in der Flüssigkeitsphase mit nachfolgender Destillation vorzuschalten
und mit Hilfe dieser Verfahrensstufe die Verdampfung der in .die Hauptspaltanlage
gehenden Kohlenwasserstoffe durch Zugabe von Partialdruck erniedrigenden Bestandteilen,
wie Waseerdampf, Luft oder Spaltgas zu sichern, jedoch wird der verdampfte Brennstoff
nach diesem Verfahren nicht gesättigt.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren wird Leichtbenzin mit Wasserdampf
vor dem Wasserdampfüberhitzer aufgegeben und mit dem Wasserdampf über den Wasserdampferhitzer
in den Reaktionsraum eingeführt.
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Auch in diesem Falle wird keine Sättigung des verdampften Brennstoffes
und damit auch keine außerordentlich gute Wärmeausnutzung erreicht.
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Des weiteren wird bei dem bekannten Verfahren zur Erzeugung von brennbarem
Gas in einer Verfahrensstufe das Medium in eine leichte und eine schwere Fraktion
getrennt.
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Gegebenenfalls wird das Spaltgas mit der leichten Fraktion im Gegenstrom
gewaschen und dabei karburiert, d. h., es tritt lediglich die bekannte Anreicherung
ein. Der Prozeßdampf wird im übrigen von innen vom Außenhitzekessel in die Spaltanlage
eingeführt.
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Im allgemeinen wird das erzeugte Gas auf Außentemperatur abgekühlt,
und zwar mit Hilfe von Gaswaschanlagen. Bei großen Gaserzeugungsanlagen ist erforderlich,
das Wasservolumen möglichst zu erhalten, damit es erneut den Waschanlagen wieder
zugeführt werden kann. Das ist möglich, wenn die Temperatur des benutzten Wassers
vor der Rückgewinnung und dem erneuten Zuleiten herabgesetzt worden ist. Im allgemeinen
sind zu diesem Zweck Wasserkühler vorgesehen, in denen das heiße Wasser mit der
Außenluft in Berührung gebracht wird, d. h., die fühlbare Wärme, die in der Regel
beträchtlich ist, geht verloren, ohne daß sie irgendwie weiter ausgenutzt wird.
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Andererseits ist es bei einem Verfahren der hier vorliegenden Gattung
ratsam, den flüssigen Brennstoff zunächst zu verdampfen, um ihn in gasförmigem Zustand
in die Gaserzeugungsanlage zu leiten.
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Den eigentlichen Gaserzeugungskammern wird zur Verdampfung des Mediums
im allgemeinen von innen Wärme zugeführt; und zwar so viel Wärmeeinheiten, als zur
Zustandsänderung des Mediums erforderlich sind. Beispielsweise ist dies durch die
indirekte Berührung mit hocherhitztem Dampf zu erreichen.
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Auf diese Weise erhält man zwar die gewünschte Zustandsänderung vom
flüssigen in das gasförmige Medium; der verwendete Dampf wird jedoch nicht dazu
benutzt, um das Medium bis zu einem gewissen Grade zu sättigen. Eine solche Sättigung
kann in den meisten Fällen den Bedarf an Dampf decken, der für die Spaltreaktion
erforderlich ist. An Stelle des normalerweise hocherhitzten Dampfes wird nach der
Verfahrensweise der Erfindurng niedrigerhitzter Dampf für die Sättigung des verdampften
Mediums benutzt.
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Nach der Erfindung wird das heiße Abflußwasser besser als bisher ausgenutzt,
indem sowohl dessen fühlbare Wärme verwertet wird als auch eine Sättigung des verdampften
Mediums vorzunehmen ist. Gleichzeitig spart man durch eine solche Maßnahme sowohl
an Wasserdampf als auch an Wasser. Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Erzeugen
von Gas gerichtet, und zwar auf den Teil der Verfahrensweise, bei dem das heiße
Abflußwasser direkt mit dazu beiträgt, Gas auf wirtschaftliche Art und Weise zu
erzeugen.
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Ein Anwendungsbeispiel zum Erzeugen von brennbarem Gas durch das katalytische
Spalten von Flüssiggas mit Dampf nach der Erfindung wird im folgenden schematisch
dargestellt und näher erläutert.
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In der Zeichnung ist 2 ein Verdampfer, in dem der flüssige Brennstoff
verdampft wird. 3 ist eine Trennvorrichtung für Wasser und Brennstoff und 1 eine
Sättigungsanlage, worin verdampfter Brennstoff mit Wasserdampf gesättigt wird. Das
Gaswasch-und Kühlsystem ist durch eine Gaswaschanlage 1.1 dargestellt, in der das
erzeugte heiße Brenngas mit Wasser in Berührung gebracht wird.
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Dieses System bildet somit eine ausreichende Quelle für heißes Abflußwasser
zur Brennstoffverdampfung. Wirkungsweise Heißes, am Unterteil der Waschanlage
11 gesammeltes Abflußwasser wird durch die Pumpe 22 zu einem Wasserverteiler
23 der Sättigungsanlage 1 gefördert, von wo aus es über Berührungsflächen
des Anlagenteiles 24 nach unten abfließt und am Fuß 25
gesammelt wird.
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Von dem Fuß 25 der Sättigungsanlage 1 entnimmt eine durch den Schwimmerregler
9 gesteuerte Pumpe 8 Wasser und fördert es in den äußeren Ringraum 7 der Trennvorrichtung
3, von wo aus es
dann durch die Pumpe 15 in den Ringraum 16 am Oberteil
des Verdampfers 2 gepumpt wird und über die Verdampferwand überläuft. Das Wasser
sammelt sich in der Wanne 26 am Fuß des Verdampfers 2 und strömt von dort auf Grund
des Gasdruckes im Verdampfer 2 durch ein Regelventil 21 zum Wasserverteiler der
Waschanlage 11 zurück.
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Flüssiggas aus den Zulaufgefäßen tritt durch die Zulaufleitung 5 und
das Ventil 29 in den inneren Ringraum 4 der Trennvorrichtung 3 ein. Dieser Ringraum
ist unten und oben offen. Oben setzt sich der Ringraum über die Oberkante der Innenwand
des äußeren Ringraumes 7 hinaus fort, so daß, während flüssiger Brennstoff dort
mit Wasser in Berührung gehalten wird, außerdem noch Wasser aus dem Ringraum 7 unten
in den Ringraum 4 über den Ringraum 32 eintreten kann, der die beiden Ringräume
7 und 4 trennt.
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Der Stand des flüssigen Brennstoffes im Rinraum 4 wird durch den Schwimmermechanismus
6 geregelt, der das Steuerventil 29 betätigt.
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Von einer Stelle oberhalb des Brennstoffeintritts im Ringraum 4 wird
flüssiger Brennstoff durch die Pumpe 14 in einen Ringverteiler 17 in der Manne
26 des Verdampfers 2 gepumpt, wo er vorzugsweise in Form feiner Strahlen
austritt, die die Oberfläche des Wassers durchbrechen und den Raum 18 mit
Dampf zerstäubter Flüssigkeit füllen. Die Mischung läuft durch den Entfeuchter 19
aus dem Verdampfer 2 ab und tritt über das Konstantdruck-Regelventil 20 in die Sättigungsanlage
1 ein.
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Der überschuß an flüssigem Brennstoff und Wasser läuft durch den Kanal
31 nach unten in die Trennvorrichtung 3, wo flüssiger Brennstoff in dem Ringraum
4 aufsteigt und Wasser in die Abdichtung am Fuß in die Strömungsverbindung
mit dem Ringraum 7 absinkt. Da diesem Ringraum ständig heißes, aus dem Sättiger
1 über die Zulaufleitung 27 abfließendes Wasser zugeführt wird, wird jeglicher,
in diesem Ringraum nicht von Wasser getrennter flüssiger Brennstoff schnell verdampft
und entweicht durch den Auslaß 30 in den Verdampfer.
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Die aus dem Verdampfer austretende Dampfmischung strömt nach Entzug
von Wassertröpfchen durch den Entfeuchter 19 aufwärts durch den Teil 24 des
Sättigers 1 im Gegenstrom zum heißen Abflußwasser aus der Gaswaschanlage
11, in der alle restlichen schwereren Flüssigkeitsteile in dem Brennstoff verdampft
und der verdampfte Brennstoff mit Wasserdampf gesättigt wird. Der verdampfte gesättigte
Brennstoff strömt aus dem Sättiger 1 in die Gaserzeugungsanlage.
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Bei der zyklischen katalytischen Gaserzeugungsanlage fällt das heiße
Abflußwasser aus dem Gaskühlsystem im allgemeinen mit einer Temperatur von etwa
83,5° C an. Da dieses heiße Abflußwasser zunächst dem Sättiger 1 zugeführt wird,
verläßt der verdampfte Brennstoff den Sättiger mit ungefähr der gleichen Temperatur.
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Unter diesen Verhältnissen enthält das zur Gaserzeugungsanlage strömende
Wasserdampf-Brennstoff-Gemisch etwa 13,5 Volumprozent Wasserdampf. Dies entspricht
einer bedeutenden Einsparung an Dampf, der zur Vergasung benötigt wird.
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Das verdampfte Medium verläßt den Sättiger 1 mit konstanter Temperatur.
Diese ist lediglich abhängig von der Eintrittstemperatur des Abflußwassers. Sie
wird im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen geschaffen durch einen
hohen Durchsatz von heißem Abflußwasser und einer ausreichenden Berührungsfläche
des Sättigungsanlageteiles 24.
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Ein geeignete Arbeitstemperatur für das zum Gaswasch -und Kühlsystem
zurückgeleitete Wasser ist etwa 39° C. Das heiße Abflußwasser aus dem Gaswasch-
und Kühlsystem der Gaserzeugungsanlage ist mehr als ausreichend, um den Wärmebedarf
zu decken.
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Dadurch ergibt sich ferner eine wesentlich kleinere Wasserkühleinrichtung.
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Bei einem Arbeitsdruck von 0,845 bis 0,983 kg/cm2 in der Sättigungsanlage
1 käme der entsprechende Druck in dem Verdampfer 2 und in der Trennvorrichtung 3
auf einen angemessenen Wert von etwa 2,11 kg/cm2, der durch Temperaturregelung des
Wasserzulaufes zum Verdampfer aufrechterhalten werden kann.
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In gewissen Fällen, bei denen ein wesentlich trockeneres Gas in der
Anlage erzeugt werden muß, kann die endgültige Temperatur des aus der Wasch-und
Kühleinrichtung ausströmenden Gases in der Größenordnung von 18,8° C liegen.
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Das gekühlte Wasser wird in diesem Falle zum Gaswasch- und Kühlsystem
zurückgeleitet, in denen es als Kühlmittel für die letzte Gaskühlstufe verwendet
wird, die anderenfalls zusätzliche äußere Hilfsmittel benötigen würde.