DE2503367A1

DE2503367A1 - Verfahren zur umwandlung von kohle und wasser in wenigstens einen kohlenwasserstoff und anordnung zur durchfuehrung eines solchen verfahrens

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Publication number: DE2503367A1
Application number: DE19752503367
Authority: DE
Inventors: Andrew R Jones
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-01-29
Filing date: 1975-01-28
Publication date: 1975-09-04
Also published as: US4021298A; GB1479521A; JPS5913560B2; AU497001B2; US4158637A; AU7675974A; JPS50108302A; GB1479522A

Description

.Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung von Kohle in Kohlenwasserstoffe und insbesondere auf eine Kohle und Wasser betreffende Umwandlung.

Bei bekannten Verfahren wird Dampf in der einen oder anderen Verfahrensstufe mit der Kohle gemischt. Die Kohle reagiert mit dem Dampf, ein Teil der Kohle wird in einen Kohlenwasserstoff, gewöhnlich CH., umgewandelt, aber ein wesentlicher Teil der Kohle wird in Kohlendioxid umgewandelt, das in die Atmosphäre geleitet wird und die Umwelt verschmutzt. Typischerweise wird beim HYGAS-Verfahren, das vom Institute of Gas Technology entwickelt wurde, der aktivste Anteil der Kohle in Wassergas überführt, um so mit dem aus den flüchtigen Bestandteilen der Kohle gewonnenen Wasserstoff Methan zu bilden, während der weniger aktive Anteil mit Dampf zur Reaktion gebracht wird, um zusätzlichen Wasserstoff für die Wassergasbildung und Kohlendioxid zu erzeugen. In den Fällen, in denen Kohle verwendet wird, um Energie für die Verarbeitung zu liefern, tritt zusätzlich zum Dissipationsverlust auch eine Erschöpfung der Kohle ein. Die bekannten Umwandlungsverfahren leiden dann unter dem Nachteil, daß die Kohle nicht wirksam ausgenutzt worden ist.

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Telegramme Custopat

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle in Kohlenwasserstoffe sowie eine Anordnung für die Durchführung einer solchen Umwandlung zu schaffen, bei dessen Anwendung bzw. deren Einsatz der Anteil an in Kohlenwasserstoffe umgewandelter Kohle ein Maximum ist, während der Anteil an Kohle, die ohne Umwandlung verbraucht oder dissipiert wird, ein Minimum bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Umwandlung von Kohle und Wasser in wenigstens einen Kohlenwasserstoff erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle verarbeitet, das Wasser getrennt von der Kohle in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt und der so getrennt umgewandelte Wasserstoff unter Erzeugung des Kohlenwasserstoffs mit der Kohle zur Reaktion gebracht wird.

Eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens besonders geeignete Anordnung ist in Weiterbildung der Erfindung gekennzeichnet durch einen Kernreaktor; einen mit dem Wasser reagierenden ersten chemischen Reaktor zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit einer Einrichtung zum Trennen von Wasserstoff und Sauerstoff; eine Einrichtung zur Zuführung von Wasser an den ersten chemischen Reaktor; Verbindungen zwischen dem Kernreaktor und dem ersten chemischen Reaktor für die Lieferung von Energie an den ersten chemischen Reaktor zur Durchführung der Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff; einen Wasserstoff und Kohle zur Reaktion bringenden zweiten chemischen Reaktor zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohle in den oder die Kohlenwasserstoffe; eine mit dem zweiten chemischen Reaktor verbundene Einrichtung für die Zuführung von Kohle zum zweiten chemischen Reaktor; sowie durch eine mit dem ersten chemischen Reaktor verbundene Einrichtung für die Zuführung von Wasserstoff, der durch den ersten chemischen Reaktor umgewandelt ist, an den zweiten chemischen Reaktor zur Reaktion mit der Kohle.

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Eine typische chemische Reaktion, die die Umwandlung von Kohle und Wasser in Methan in Übereinstimmung mit bekannten Lehren beschreibt, wobei die Ümwandlungsenergie durch Verbrennung von Kohle erhalten wird, ist:

C + 0,1 O₂ + 0,9 H₂O —> 0,45 CH₄ + 0,55 CO₃.

Diese Reaktion findet.im SYNTHANE-Prοζeß statt. In diesem Fall können höchstens 45 % der Kohle in verwendbaren Kohlenwasserstoff umgewandelt werden. Ein anderer bekannter Umwandlungsprozeß wird durch die Gleichung beschrieben:

C + 0,259 O₂ + 0,742 H₃O *O,371 CH₄ +0,630 CO₂.

In diesem Fall können höchstens 37 % der Kohle in Methan umgewandelt werden. Wenn die Energie für die Umwandlung aus einem Kernreaktor bezogen wird, lautet die typische Reaktionsgleichung wie folgt:

C + H₂O^ > 0,5 CH₄ + 0,5 CO₂.

In diesem Fall kann maximal nur die Hälfte der Kohle in Methan umgewandelt werden.

Gemäß der Erfindung wird derjenige Kohleanteil, der in Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird, dadurch zu einem Maximum, daß das Wasser gesondert von der Kohle in getrennte Mengen oder Ströme von Wasserstoff und Sauerstoff dissoziiert oder umgewandelt wird und daß dann der auf diese Weise erhaltene Wasserstoff mit der Kohle zur Reaktion gebracht wird. Der aus der Umwandlung des Wassers erhaltene Sauerstoff wird teilweise mit Kohlerückständen oder Koks aus der vorangehenden Wasserstoffreaktion zur Reaktion gebracht, um Kohlenmonoxid zu bilden, das dann später mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird, um zusätzlichen Kohlenwasserstoff zu bilden. Der Sauerstoff kann auch bei dem Prozeß zur Bildung von Methanol (CH₃OH) verwendet und überschüssiger Sauerstoff und überschüssiger Wasserstoff können verkauft werden. In vielen Bereichen besteht ein dringender

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Bedarf an Sauerstoff in großen Mengen, so z. B. bei Kläranlagen die zu einem ständig wachsenden Problem geworden sind, und bei Industrien wie der stahlerzeugenden Industrie. Die Umwandlungsenergie, einschließlich des Bedarfs für die endothermen Reaktionen und des Bedarfs für die Hilfseinrichtungen, ist relativ billige Kernenergie, die vorzugsweise von einem gasgekühlten Höchsttemperatur-Kernreaktor gewonnen wird.

Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische oder thermochemische Verfahren oder durch Verfahren, die Elektrolyse und Thermochemie kombinieren, umgewandelt. Diese Verfahren benötigen andere Chemikalien als Wasser, die als Elektrolyten oder Katalysatoren dienen und während des Prozesses nicht verbraucht werden. Die allgemeine Reaktion ist:

₂ + 1/2 O

Dabei handelt es sich um eine endotherme Reaktion mit einem wesentlichen Bedarf an Energie, die von einem Kernreaktor geliefert wird. Die Reaktion der Kohle (Kohlenstoff) mit dem Wasserstoff läuft wie folgt ab:

C + 2 H₂ > CH₄.

Dabei handelt es sich um eine leicht exotherme Reaktion. Die Reaktion zwischen Sauerstoff und dem Kohlerückstand wird wie folgt beschrieben:

2C + O₂ > 2C0.

Diese Reaktion ist exotherm und kann Wärme für andere Zwecke bei der Verarbeitung liefern. Die Reaktion zwischen dem Kohlen monoxid und dem Wasserstoff läuft wie folgt ab:

CO + 3H₂ > CH₄ +

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und ist ebenfalls exotherm.

Es ist davon auszugehen, daß die erfindungsgemäße Verarbeitung Wasserstoff und Sauerstoff zu einem wesentlich geringeren Preis als bisher verfügbar macht. Ein typischer Preis für große Mengen von Wasserstoff beträgt gegenwärtig 36 Cents pro 2,83 m (100 Kubikfuß) und für Sauerstoff 10 Cents pro 2,83 m³ (100 Kubikfuß). Außerdem fallen Mietkosten in Höhe von 11,50 Dollar pro Monat für eine 6400 1 (1400 Gallons)- Flasche an. Es ist zu erwarten, daß bei Ausführung der Erfindung Wasserstoff unter den gegenwärtigen Preisbedingungen für 15 Cenis pro 28,3 m (1000. Kubikfuß) und Sauerstoff für 4 Cents pro 28,3 m (1000 Kubikfuß) erzeugt werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei ihrer Ausführung Kohle eingespart wird. Weil bei Ausführung der Erfindung sich die für eine Einheit erzeugten Kohlenwasserstoffs benötigte Kohle verringert, ergeben sich die folgenden zusätzlichen Vorteile aus der Erfindung:

1. Die Lebensdauer der Kohlenbergwerke oder ihre Leistungsfähigkeit werden vergrößert.

2. Zusätzliche Bergwerksanlagen, die für die bekannten Arten der Verarbeitung nicht brauchbar waren, können zur Ausführung der Erfindung dienen.

3. Umweltverschmutzende Stoffe wie Asche und CO» werden um die Hälfte bis zwei Drittel verringert.

4. Der Preis solcher Kohlenwasserstoffe wie synthetisches Rohöl, Methan von Pipeline-Qualität, Methanol, Äthylen u. dgl. wird wesentlich verringert.

5. Die Kosten für Energie unmittelbar am Ort der Verarbeitungsanlage werden verringert.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 in Blockform ein Flußdiagramm, das das Verfahren • und die Anordnung nach der Erfindung darstellt;

Fig. 2 in Blockform ein Flußdiagramm, das die Beziehung zwischen dem Kernreaktor, der Wärmeübertragungseinrichtung und der Verarbeitungsanlage mit chemischen Reaktoren der Anordnung nach Fig. 1 darstellt;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung, teilweise weggebrochen, eines typischen Reaktors, wie er bei der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt ist;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Kugelkörper, der einen Partikel des Brennstoffelementes für den Reaktor nach Fig. 3 bildet;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Brennstoffelementes für den Reaktor nach Fig. 3;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Moderatorblocks für die Brennstoffelemente des Reaktors nach Fig. 3;

Fig. 7 einen Teilschnitt durch den Bereich des Kreises VII des in Fig. 6 dargestellten Blocks;

Fig. 8 einen Vertikalschnitt eines Zwischen-Wärmetauschers der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 9 in schematischer Darstellung einen Teilschnitt durch eine Wärmetransportleitung der Anordnung nach Fig. 1;

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Fig. 10 schematisch einen Schnitt durch eine typische

Prozeßwärme-Austauschereinheit der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 11 in Blockform ein Flußdiagramm einer Anordnung nach der Erfindung für die Erzeugung mehrerer Produkte bei der Verwirklichung der Erfindung;

Fig. 12 in Blockform ein Schemabild, das die Art und Weise zeigt, wie die verschiedenen Einrichtungen der Anordnung nach der Erfindung einander zugeordnet sind;

Fig. 13 das Schema einer typischen Anordnung nach der Erfindung für die Energieübertragung;

Fig. 14 schematisch ein Flußdiagramm eines ümwandlungsreaktors für die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff bei Ausführung der Erfindung; und

Fig. 15 schematisch ein Flußdiagramm ähnlich Fig. 14, das jedoch die verbrauchten Wärmemengen, die Temperaturen und die Strömungskomponenten angibt.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Umwandlung von Kohle und Wasser in Kohlenwasserstoffe mit einem Kernreaktor 21, einer Wärmetauscheinrichtung 23 und einem chemischen Reaktor 25 für die Verarbeitung von H₃O. Wie dargestellt, wird Wasser an den chemischen Reaktor 25 geliefert und mit Hilfe dieses Reaktors in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt. Die Anordnung nach Fig. 1 weist auch einen chemischen Reaktor oder Vergaser auf, um Kohle mit Wasserstoff aus dem chemischen Reaktor unter Erzeugung von Kohlenwasserstoffen zur Reaktion zu bringen. Im Hinblick auf eine konkrete Darstellung wird angenommen, daß die Anordnung Kohle und Wasserstoff in Methan umwandelt. Außerdem ist ein chemischer Reaktor 29 zur Verarbeitung von CO vorgesehen. Kohlerückstand oder Koks gelangt vom chemischen Reaktor 27 in den chemischen Reaktor 29 und reagiert unter Erzeu-

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gung von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff, der vom chemischen Reaktor 25 geliefert wird. Die Anordnung weist ferner eine Einheit 31 zur Abscheidung von Säuregas auf. Methan und Wasserstoff vom chemischen Reaktor 27 und Kohlenmonoxid vom chemischen Reaktor 29 strömen durch die Einheit 31 in einen Reaktor 33 zur Bildung von Methan. Die Einheit 31 scheidet hauptsächlich gasförmige Schwefelverbindungen aus dem Gemisch von Gasen aus, die ihr zugeleitet werden, aber zusätzlich scheidet sie auch alles Kohlenmonoxid aus, das sich gebildet haben könnte. Der Methanbildungsreaktor 33 vollendet die Bildung von Methan aus Kohle. Das erhaltene Methan wird dann durch einen Trockner 35 in eine Gasleitung zur Verteilung geleitet.

Die Wärmetauscheinrichtung 23 ist entsprechend Fig. 1 in einfacher Weise zwischen den Kernreaktor 21 und den chemischen Reaktor 25 zur Verarbeitung von H₃O geschaltet. Bei der praktischen Ausführung ist diese Zwischenschaltung komplexer, weil der chemische Reaktor 25 mehrere Komponenten enthält, die bei verschiedenen Temperaturen arbeiten und unterschiedliche Wärmemengen benötigen. Die dargestellte Verbindung zwischen der Wärmetauscheinrichtung 23 und dem chemischen Reaktor 25 entspricht diesen Mehrfachverbindungen. Die komplexere Verbindung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist ein Zwischen-Wärmetauscher 41 vorgesehen, der das Flud vom Kernreaktor 21 von der übrigen Anordnung und dem Wärmetauscher 43 der verarbeitenden Anlage isoliert, der für mehrere einzelne Wärmetauscher repräsentativ ist, die in Reihe oder parallel mit der verarbeitenden Anlage verbunden sind (Fig. 13, 14).

Zusätzlich liefert der Kernreaktor 21 Energie für die Hilfsfunktionen der Anordnung wie für die Pulverisierung der Kohle, die Verdampfung ihrer flüchtigen Bestandteile, das Pumpen von Fluden, die Erzeugung von Fließbetten der Kohle z. B. im chemischen Reaktor 27 und zum Trocknen. Die Verbindungen für die Zufuhr dieser Energie sind in Fig. 1 nicht dargestellt.

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Beim Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird die Kohle pulverisiert, gesiebt und getrocknet und mittels eines Förderers (nicht dargestellt) oder durch einen Trichter in den chemischen Reaktor 27 für die Verarbeitung von C und H„ eingeführt. Hier werden die gasförmigen Bestandteile der Kohle verflüchtigt und zur Einheit 31 zum Abscheiden von Säuregas geleitet. Die erhaltene Kohle wird zur Reaktion mit Wasserstoff aus dem chemischen Reaktor 25 für die Verarbeitung von H₃O gebracht, um Methan zu erzeugen, das zusammen mit überschüssigem Wasserstoff zur Einheit 31 geleitet wird. Typischerweise wird der Wasserstoff vom chemischen Reaktor 25 bei einem

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Druck von etwa 17,6 kg/cm (250 lbs per square inch) geliefert.

Der Druck wird durch einen Kompressor (in Fig. 1 nicht darge-

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stellt) auf 211 kg/cm (3000 psi) erhöht, und das Gas wird mit diesem höheren Druck zum chemischen Reaktor 27 gefördert. Der Kohlerückstand wird zum chemischen Reaktor 29 geleitet, um Kohlenmonoxid zu erzeugen, das ebenfalls zur Einheit 31 geleitet wird.

Die Wärme- oder Energiequelle ist der Kernreaktor 21. Der Kernreaktor 21 weist einen oder mehrere, vorzugsweise gasgekühlte Reaktoren auf und liefert ein Gas, das typischer- und vorzugsweise Helium ist, aber auch ein anderes Gas wie Argon oder sogar Stickstoff sein kann, mit einer hohen Temperatur von ungefähr 1093° C (2000° F). Die Temperaturen des Heizgases, das von Umwälzpumpen 45 und 47 (Fig. 2) zwischen dem Kernreaktor 21, dem Zwischen-Wärmetauscher 41 und den Wärmetauschern 43 der Verarbeitungsanlage umgewälzt wird, sind in Fig. 2 angegeben. Es kann davon ausgegangen werden, daß das Gas im Kernreaktor 21 eine Spitζentemperatur von etwa 1204 C (2200° F) erreichen kann.

Die Energie des Kernreaktors 21, die erforderlich ist, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln, läßt sich wie folgt errechnen:

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Erforderliche Umwandlungsenergie für

1 Ib. (0,454 kg) HO - 6830 BTU

Erforderliche lbs. H₃O für 1000 Kubikfuß (28,3 m³) H₃ im Normzustand

(1722 kcal)

- 50,4 -

Mit 1 Megawatt-Stunde (MWh)

- 3,1413 χ 10 BTU

MWh für 1000 Kubikfuß CH₄ =

6830

x 50,4 χ 2

3,1413 χ 1O^C

= 0,2192

^NH

N ist der thermische Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wasser,

und der Faktor "2" ist eingeführt, weil in jedem Mol CH. 2 Mol Wasserstoff enthalten sind.

Wenn 500 χ 10 SCF (Kubikfuß im Normzustand, entsprechend 14,1 χ 10 Nm ) CH₄ pro Tag erzeugt werden sollen, beträgt die Nennleistung des Kernreaktors 21:

0,2192 χ 500 χ 10 1000 x 24 N„

ti

4567 ^NH

Wenn der Wirkungsgrad etwa 50 % beträgt, würden 9134 MW benötigt, und bei einem Wirkungsgrad von 60 % würden 7612 MW benötigt. Die gegenwärtig von der Atomenergiebehörde zugelassene thermische Nennleistung für einen Reaktor beträgt 3800 MW. Wahrscheinlich würden in jedem Fall drei Reaktoren erforderlich sein, weil Energie nicht nur für die Umwandlung von Wasser, sondern auch für die Hilfsfunktionen benötigt wird.

Ein typischer Kernreaktor 48 (Fig. 3-7) besitzt einen Druckbehälter 51. Im Druckbehälter 51 befindet sich ein Kernmantel 53.

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Zentrisch im Kernmantel 53 sind entfernbare Brennstoffmoduln 55 angeordnet. Jeder Modul 55 wird von einer Säule aus Moderatorblöcken 56 (Fig. 6) gebildet, die Brennstoffelemente 57 (Fig. 5) mit entfernbaren Neutronenreflektorblöcken 59 am oberen bzw. unteren Ende enthalten. Die Moduln 55 sind im Kernmantel 53 von bleibenden Neutronenreflektoren 61 umgeben. Um die Neutronenreflektoren 61 herum sind Kühlstäbe 63 und eine thermische Isolation 65 angeordnet. Die Kernbestandteile 55, 59, 61 sind auf einer Kerntragplatte 57 angeordnet. Die Steuerung der Reaktivität bei Stillegung, im Notfall und während des Betriebes erfolgt mit Kontrollstäben 67, die die einzelnen Moduln 55 durchsetzen. Wenn die Kontrollstäbe 67 in ihre unterste Stellung niedergelassen worden sind, durchdringen sie eine Lochplatte 68 über der Kerntragplatte 57 und treffen auf einen Stoßdämpfer 70. Die Kontrollstäbe 67 sind mit einem Antrieb 71 über Antriebsstäbe 73 verbunden, die durch den Druckbehälter 51 geführt sind. Ein Austrittsraum 75, von dem aus das durch den Kern erhitzte Kühlgas weitergeleitet wird, ist durch eine Austrittsraum-Auskleidung 77 begrenzt, die sich vom Kernmantel 53 aus erstreckt und mit diesem verbunden ist.

Ein ringförmiger Raum 79 ist durch die Innenfläche des Druckbehälters 51, den Kernmantel 53 und die sich von da aus erstreckende Auskleidung 77 begrenzt. Dieser Raum 79 steht in Verbindung mit einem Einlaßraum 80 zwischen der Kerntragplatte und dem Boden 82 des Druckbehälters 51. Über dem Kern 55, 59, 61 befindet sich ein Volumen, das den Austrittsraum 75 bildet und das ungefähr die gleiche Größe wie das Kernvolumen besitzt, so daß Raum für den Austausch der Brennstoffelemente vorhanden ist. Ein Mechanismus 83 zur Handhabung der Brennstoffelemente ist durch drei öffnungen (nicht dargestellt) in den Raum 75 eingesetzt, um den Reaktor bei Stillegung zu warten. Ferner sind mehrere (gewöhnlich drei) Brennstoffwechselstutzen 85 in gleichen Abständen über dem Umfang des Druckbehälters 51 verteilt. Das Entfernen ausgewählter Kern- oder Reflektormoduln bzw. 59 aus dem Kern wird mit Hilfe des Antriebs 71 für die Kontrollstäbe ausgeführt, der die Moduln 55, 59 auf das Niveau des

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Mechanismus 83 anhebt. Der Mechanismus 83 bringt dann die Brennstoffitioduln 55 zu einem der drei Brennstoffwechselstutzen

Ein- bzw. Auslässe 91 am Kernreaktor 48 sind konzentrische Leitungen, die von einer inneren Leitung 93 und einer äußeren Leitung 95 gebildet sind. Das aus dem Reaktor 48 austretende Gas hoher Temperatur strömt durch die innere Leitung 93, und das auf niedriger Temperatur befindliche, zum Kernreaktor zurückkehrende Gas strömt durch den Ringraum zwischen der äußeren Leitung 95 und der inneren Leitung 93. Die Strömung des Gases ist durch Pfeile angedeutet. Das kühlere Gas passiert den gesamten inneren ringförmigen Raum 79 des Druckbehälters 51, bevor es in den Kerneinlaßraum 80 eintritt. Dadurch und durch die geringen Kerneinlaßtemperaturen verringert sich auch die Notwendigkeit komplexer Kühlkreisläufe und Isolationen für den Druckbehälter 51 auf ein Minimum. Die Austrittsraum-Auskleidung 77 und die Leitung 93 für das austretende Gas werden ebenso wie die Kontrollstäbe 73 durch das einströmende Gas gekühlt. Außerdem wird dadurch, daß Ein- bzw. Auslaß 91 nur dem geringen Druckabfall im Kern ausgesetzt und nicht in erster Linie konstruktive Bauteile sind, eine hohe Sicherheitsreserve für Dauerbetrieb gewährleistet. Die am höchsten beanspruchten Teile des Kernreaktors 48 werden durch das Eintrittsgas gekühlt. Das Austrittsgas des Reaktors 48 besitzt, wie angegeben, eine Temperatur von etwa 1066° C (1950° F) und einen Druck zwischen 56,3 und 70,3 kg/cm² (800 bis 1000 psi).

Der grundlegende partikelförmige Brennstoff-Baustein des Kernreaktors 48 ist ein Kugelkörper oder Kügelchen 101, das typischerweise einen Durchmesser von etwa 440 Mikron aufweist. Das Kügelchen 101 wird von den folgenden konzentrisch angeordneten Bestandteilen gebildet.

Kern 103 aus angereichertem UC^ mit einem Durchmesser von 200 Mikron;

Pufferschale 105 aus porösem pyrolytischem Kohlenstoff (1,15 g/cm ) mit einer Dicke von 48 Mikron;

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innere Schale 107 aus dichtem pyrolytischem Kohlenstoff (1,95 g/cm ) mit einer Dicke von 22 Mikron;

Zwischenschale 109 aus dichtem pyrolytischem Siliciumcarbid (3,2 g/cm ) mit einer Dicke von 20 Mikron;

äußere Schale 111 aus dichtem pyrolytischem Kohlenstoff (1,8 g/cm ) mit einer Dicke von 30 Mikron.

Eine Menge Kügelchen 101 wird zusammen mit Graphit und einem Alkohol-Bindemittel gründlich durchmischt und in einen hohlen Zylinder 57' (Fig. 5) extrudiert. In den Moderatorblöcken 56 sind die Zylinder 57' zwischen Graphithülsen 113 eingesetzt. Die Kügelchen 101 halten Spaltprodukte zurück. Rißbildungen an den Kügelchen 101 während des Extrudierens und während des folgenden Betriebes sind so gering, daß die Kontamination des Kühlgases durch radioaktive Stoffe minimal ist.

Das Kühlgas des Reaktors streicht unmittelbar über die Oberfläche der Brennstoffelemente und verringert dadurch die Temperaturdifferenz zwischen den Brennstoffelementen 57' und dem Kühlmittel auf ein Minimum, und für eine gewünschte Temperatur des Kühlmittels ist eine niedrigere Temperatur der Brennstoffelemente erforderlich. Typischerweise ist bei Ausführung der Erfindung eine nominelle maximale Brennstofftemperatur von 1238 C (2260 F) ausreichend, um eine Kühlmitteltemperatur von 1066° C (1950° F) zu erzeugen. Wenn das Brennstoffelement indirekt gekühlt wird, ist eine maximale Brennstofftemperatur von 1371° C (2500° F) bis 1510° C (2750° F) für eine Temperatur von nur 760° C (1400° F) für das Kühlmittel erforderlich.

Der in Fig. 8 dargestellte typische Zwischen-Wärmetauscher 41 (Fig. 2) weist einen im wesentlichen zylindrischen Druckbehälter 121 mit Endhauben 123 und 125 auf. Innerhalb des Druckbehälters 121 befinden sich mehrere Röhren 127, die von Rohrplatten 129, 131 getragen werden. Die obere Endhaube 123 hat einen Anschlußstutzen 133, von dem aus sich koaxiale Leitungen 135 und 137 erstrecken. Eine glockenförmige Wandung 139 wird zwischen der

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inneren Leitung 137 und der oberen Rohrplatte 129 gehalten und erstreckt sich im wesentlichen parallel und koaxial zur Endhaube 123, eo daß ein ringförmiger Raum 138 zwischen der glokkenförmigen Wandung 139 und dieser Endhaube 123 begrenzt wird. Wenigstens ein seitlicher Anschlußstutzen 141 erstreckt sich in den Druckbehälter 121. Dieser seitliche Anschlußstutzen weist in koaxialer Anordnung eine äußere Leitung 143 und eine innere Leitung 145 auf, die sich koaxial zu den Leitungen 95 bzw. 93 (Fig. 5) des Kernreaktors 48 erstrecken. Die innere Leitung 145 ist mit Teilen 147 und 149 einer zum Druckbehälter 121 koaxialen Wandung verbunden. Der Teil 147 der Wandung erstreckt sich zwischen der Rohrplatte 129 und dem oberen Teil der inneren Leitung 145, und der/T49 der Wand ist vom unteren Teil der inneren Leitung 145 abgehängt und bildet einen schmalen Raum 151 zwischen sich und den Röhren 127.

Benachbart zur äußeren Leitung 143 ist eine koaxiale Wandung vorgesehen, die in einen Faltenbalg 155 übergeht, der mit der äußeren Leitung 143 durch eine Lippe 157 verbunden ist. Der Faltenbalg 155 ist mit den Teilen 159 und 161 einer weiteren zum Druckbehälter 121 koaxialen Wandung verbunden. Der obere Teil 159 der Wandung ist zwischen der Rohrplatte 129 und dem oberen Teil der Wandung 153 gehalten; der untere Teil 161 der Wandung geht in einen Faltenbalg 163 über und wird zwischen der Wandung 153 und der unteren Rohrplatte 131 gehalten. Zusätzliche Unterstützung liefert eine perforierte Lippe 165, die im wesentlichen die Form eines Kegelstumpfs besitzt, der sich zwischen dem Teil 161 und dem unteren Rand des Anschlußstutzens 141 erstreckt.

Der ringförmige Raum 138 steht in Verbindung mit einem ringförmigen Raum 167 zwischen der äußeren Leitung 143 und der Wandung 153, mit einem ringförmigen Raum 169 zwischen dem Teil 161 und dem Druckbehälter 121 sowie mit den Röhren 127. Der durch diese Räume 138, 167 und 169 gebildete Gesamtraum ist durch die Lippe abgeschlossen. Wie durch Pfeile 171 angegeben, strömt das gekühlte Gas (232°C bzw. 450° F) vom Prozeß durch den ringförmigen Raum zwischen den Leitungen 135 und 137, durch den Raum 138,

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in Abwärtsrichtung zu den Röhren 127 und anschließend in Aufwärtsrichtung durch die Röhren 127. Wie durch den Pfeil 173 angegeben, strömt das Heißgas (1066° C bzw. 1950° F) vom Kernreaktor 48 durch die innere Leitung 145 abwärts durch den Raum 151 im Gegenstrom zum gekühlten Gas (232° C bzw. 450° F) und. dann, nachdem es auf 316° C (600° F) abgekühlt worden ist, durch den ringförmigen Raum zwischen der inneren Leitung 145 und der Wandung 153, wie durch Pfeile 175 angegeben, zurück zum Kernreaktor 48. Das durch den Gegenstrom (auf 1010° C bzw. 1850° F) erhitzte Gas strömt von den Röhren 127 durch die innere Leitung 137 zum Prozeß, wie durch Pfeile 177 angegeben. Die Faltenbälge 155 und 163 und die Lippe 165 nehmen die Spannungen auf, die durch den Temperaturunterschied zwischen den heißen Gasen erzeugt werden. Das Gas vom Reaktor, dessen Strömung durch die Pfeile 173 und 175 angegeben ist, ist durch den Wärmetauscher 41 vollständig vom Prozeßgas isoliert, dessen Strömung durch die Pfeile 177 und 171 angegeben ist. Typischerweise werden mehrere Wärmetauscher 41 parallel betrieben, um genügend Heißgas für die Verarbeitung zu erzeugen. Entsprechend einer typischen Situation sind in allen Wärmetauschern 59.500 Röhren 127angeordnet, deren Mittellinien etwa 21 mm (0,82 inch) voneinander entfernt sind und die eini
bilden.

2 die eine Wärmeübergangsfläche von 6500 m (69.800 square feet)

Das Gas strömt zwischen dem Kernreaktor 48 und dem ZwischenWärmetauscher 41 in koaxialen Leitungen wie den Leitungen 180 nach Fig. 9. Die Umwälzpumpe 45 (Fig. 2) ist über Zweigleitungen 188 an die äußere Leitung 182 angeschlossen. Um zu verhindern, daß die Leitungen 182 und 184 übermäßig beansprucht werden, sind Blenden 186 zwischen den Zweigleitungen 188 der Umwälzpumpe 45 angeordnet, die einen durch Pfeile 190 angedeuteten Nebenschluß begrenzen, aber eine RelatiwerSchiebung ermöglichen und die Ausbildung von Spannungen auf einem Minimum halten.

Ein typischer Wärmetauscher 43 für die Verarbeitung (Fig. 2) weist einen Behälter 181 (Fig. 10) auf, der ein Bett 183 aus Aluminiumoxid enthält. Der Behälter 181 hat eine Einlaßleitung 185 für das Heißgas (1010° C bzw. 1850° F) vom Wärmetauscher 41

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und eine Ausgangsleitung 187 für das abgekühlte Gas (232° C bzw. 450° F), das zum Wärmetauscher 41 zurückkehrt. Die Leitungen 185 und 187 werden durch Ventile A und B überwacht, die dann jeweils mit der inneren Leitung 137 bzw. der äußeren Leitung des Druckbehälters 121 (Fig. 8) verbunden sind. Der Behälter 181 besitzt ferner eine Einlaßleitung 191 und eine Auslaßleitung 193 für das im Behälter 181 zu erhitzende Flud. Je nach dem Prozeß für die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff besteht dieses Flud typischerweise aus Wasser in Verbindung mit verschiedenen Chemikalien wie CaBr^ und HI oder Schwefelsäure. Die Leitungen 191 und 193 werden durch Ventile C und D überwacht. Ferner ist eine Evakuierungsleitung 195 vorgesehen, die durch ein Ventil E überwacht wird.

Beim Betrieb des Wärmetauschers 43 werden zunächst die Ventile C, D und E geschlossen und die Ventile A und B geöffnet, um das Heißgas (1010° C bzw. 1850° F) in den Behälter 181 einzulassen. Nachdem das Al₂O₃-Bett 183 die gewünschte Temperatur erreicht hat, werden die Ventile A und B geschlossen, und während die Ventile C und D geschlossen bleiben, wird das Ventil E geöffnet, so daß das Gas im Verlauf einer Reinigungsphase aus dem Behälter 181 zu einem Gassammler abgeführt werden kann, von dem aus es zum Wärmetauscher 41 zurückkehrt. Danach wird das Ventil E geschlossen, und während die Ventile A und B geschlossen bleiben, werden die Ventile C und D geöffnet, so daß das' verarbeitende Flud in den Behälter 181 gelangen kann, um dort in der erforderlichen Weise aufgeheizt zu werden. Nachdem der Vorgang abgeschlossen ist, werden die Ventile C und D geschlossen, und, während die Ventile A und B geschlossen bleiben, wird das Ventil E geöffnet, um einen weiteren Reinigungsschritt vor einem neuen VerfahrensZyklus auszuführen.

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Bei dem in Fig. 11 dargestellten Anordnung wird Wasser in

Wasserstoff und Sauerstoff in der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 10 umgewandelt. Typischerweise wird, wie angegeben, für die Umwandlung von 30,5 m (6700 Gallons) Wasser

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pro min und die weiteren Aufgaben der Anordnung ein Kernreaktor 21 benötigt, der 11.000 MW liefern kann, wobei ein Wirkungsgrad von 50 % angenommen wird. Bevor die Kohle entsprechend der Erfindung verarbeitet wird, wird sie in einer COED(Char Oil Energy Development)-Anlage 201 der COED-Behandlung (s. a. Chemical
Engineering Progress, Bd. 69, Nr. 3, März 1973)unterworfen. Die pulverisierte und getrocknete Kohle wird pyrolisiert, und ihre flüchtigeren Bestandteile werden gewonnen. Die Wärme für diese Behandlung kann durch Oxydation eines verhältnismäßig geringen Anteils der behandelten Kohle erzeugt werden. Zu diesem Zweck liefert der chemische Reaktor 25 Sauerstoff. Die Energie für
die COED-Anlage 201 kann statt dessen auch von dem Kernreaktor 21 geliefert werden. Das von der COED-Anlage 201 gewonnene öl kann stattdessen auch von dem Kernreaktor 21 geliefert werden. Das von der COED-Anlage 201 gewonnene öl wird mit Wasserstoff aus dem chemischen Reaktor 25 für die Verarbeitung von H₂O in einem chemischen Reaktor 203 für synthetische Rohstoffe (syncrude) behandelt und für den Gebrauch aufgefangen. Der Koks aus der
COED-Anlage 201 wird im chemischen Reaktor 27 für die Verarbeitung von C und H» behandelt. Säuregas (H₂S) wird aus dem erhaltenen Erzeugnis durch die Einheit 31 abgeschieden, und das erhaltene Gas wird im Reaktor 33 für die Bildung von Methan in
Methan umgewandelt und getrocknet sowie anschließend durch Pipelines weitergeleitet. Gas von der COED-Anlage 201 wird in ähnlicher Weise durch die Einheit 31 und den Reaktor 33 behandelt und durch Pipelines weitergeleitet. Kohlenmonoxid .wird im chemischen Reaktor 29 dadurch erzeugt, daß der verbleibende Koks und Sauerstoff miteinander zur Reaktion gebracht werden. Nach dem Abscheiden des Säuregases (COS) mit Hilfe einer Einheit für die Säuregasabscheidung reagiert dieses CO mit Wasserstoff unter Erzeugung von Methanol in einem chemischen Reaktor 207
zur Bildung von Methanol.

Typische Mengen Kohle und weiterer Erzeugnisse sind in Fig. 11 neben Pfeilen, die ihre jeweilige Flußrichtung anzeigen, angegeben. T/SD bedeutet Tonne pro Behandlungstag, d. h. pro 24 Stunden-Tag. So werden in der Anlage 201 typischerweise 31.300 US-Tonnen

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Kohle pro 24 Stunden-Tag behandelt. B/SD bedeutet Barrels (159 1) pro Behandlungstag. MMSCF/SD bedeutet 1 Million Standardkubikfuß

3
(28.300 Nm ) pro Arbeitstag, nämlich Kubikfuß unter normalen

Temperatur- und Druckbedingungen pro 24 StundenTag. M/H-bedeutet Pfund-Mol (pound-moles) pro Stunde.

In der Vergangenheit wurde Wasserstoff industriell durch Elektrolyse erzeugt. Typische Verfahren sind das Water-Gas-Shift-Verfahren, das Steam-In-Verfahren und das Steam-Referring-Verfahren. Diese Verfahren sind wegen ihres Bedarfs an fossilen Brennstoffen nachteilig. Das elektrolytische Verfahren weist Beschränkungen auf, während ein thermochemisches Verfahren, wie es von Brecher (DT-OS 2 501 726) offenbart worden ist, oder ein kombiniertes thermochemisches und elektrolytisches Verfahren zum Umwandeln oder Dissoziieren von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu bevorzugen ist. Die folgenden Tabellen I bis V geben einschlägige Daten bezüglich der Umwandlung von Wasser nach verschiedenen Verfahren an.

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Tabelle IV

T Z^ S deBeni-Kohlenstoff-Eisen-Prozeß

^{C + H}2°(g)-*^C0(g) ^{+ H}2(g) ΔΗ

31,4

At

298°K 298°K (kcal/Mol)

T° (K)

21,8

1273

ο co cn cn

C0

_(g)

^3Pe2^O3(s)-*^2Fe3°4(B> ^{+ 1/2} °2(g) -29,1

55,5

-13,7

46,5

773

1773 ,

Gesamt H₃O _(g)-*H_{2 (g) +} 1/2 O_{2 (g)} 57,8

54,6

CD OO CO

Tabelle V

Spezial-Prozeß

(a) -17,13 2 H₂0₍₁₎ +

I: lektrolytisch

(g)~*^H2(g) ^{+ H}2^SO4(ag)

Thermochemisch

(b) 9,93 H₂SO_4{aq)—^ H₂SO₄₍₁₎ + (C) 18,83 H₂SO_{4 (1)}-»H₂0₍₁₎ + SO (d) 11,6 Gesamt ^H2° _(e)"~^^H2 (g) ^+1/2O2(g)

H₂ verdampft _(g) + 1/2 0_2(g) A H

Af

298°K 298°K (kcal/Mol)

T° (K)

-9,30.

7,83

298

22,99 13,06 600 54,63 -35,80 1200 68,3 56,7

In den obigen Tabellen haben die Indizes die folgenden Bedeutungen :

(1) - flüssig; (g) - gasförmig; (s) - fest;

(aq) - wäßrig (in Lösung);

_Δ Η - Änderung der inneren Energie; positiv, wenn die Energie anwächst und negativ, wenn die Energie abnimmt;

= geleistete Arbeit während eines Verfahrensschrittes . wie bei der Änderung eines Volumens unter Druck;

T = absolute Temperatur; = Änderung der Entropie; = TAs.

Fig. 12 zeigt die Art und Weise, in der die Energie von der Kernreaktorquelle in einer Wasserumwandlungseinrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird. Der Kernreaktor 21 liefert Energie an eine Wasserumwandlungsanlage 231, eine Kohleumwandlungsanlage 235 und an eine Elektrizitäts-Erzeugungsanlage 237. Die Turbinen der letzteren können direkt durch das Gas von den Kernreaktoren 48 (Fig. 3) angetrieben werden. Aus der Wasserumwandlungsanlage 231 erhält man nicht verbrauchten Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff aus dieser Anlage und Kohle werden zur Reaktion gebracht, um in der Kohleumwandlungsanlage 235 Kohlenwasserstoffe zu erzeugen. Elektrische Leistung zur Verwendung in der Kohleumwandlungsanlage 235 und für weitere Zwecke wird von der Elektrizitätserzeugungsanlage 237 geliefert.

Fig. 13 zeigt, wie die Energie vom Kernreaktor 21 in einer erfindungsgemäßen Anordnung verteilt wird, in der die Leistung von einer Hochleistungs-Dampfturbine 241 und einer Entnahme-Dampfturbine 243 geringer Leistung aufgebracht wird. Der Kernreaktor 21 ist für den Notfall mit einem Kühler 245 als Wärme-

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senke und mit einer Umwälzpumpe 247 für die Notkühlung ausgerüstet. Das Kühlgas von dem Kernreaktor 21 wird von der Umwälzpumpe 45 durch eine Primärleitung 249 des Zwischen-Wärmetauschers 41 gedrückt. Das aus der Primärleitung 249 austretende Gas wird durch ein primäres Reinigungssystem 251 zum Kernreaktor 21 geleitet. Eine zweite Umwälzpumpe 253 wälzt Heißgas von einer Leitung 255 des Wärmetauschers 41 durch Primärleitungen 257, 259, 261 eines Überhitzers 263, eines Dampferzeugers 265 und eines Speisewasser-Vorwärmers 267 sowie ferner durch eine Primärleitung 269 eines Prozeßgas-Wärmetauschers 271 um. Eine Speisewasserpumpe 272 pumpt vorgewärmtes Speisewasser aus einer Sekundärleitung 273 des Speisewasservorwärmers 267 durch eine Sekundärleitung 275 des Dampferzeugers 265 und den erhaltenen Dampf zu den Turbinen 241 und 243. Die Turbine 243 versorgt den Niedrigtemperaturprozeß 277. Zusätzliches Speisewasser wird von einer Quelle 279 herangeführt. Die Speisewasseranalyse wird kontinuierlich mit Hilfe eines Analysiergerätes 281 durchgeführt, überhitzter Dampf von der Turbine 241 wird durch eine Sekundärleitung 283 des Überhitzers 263 dem Hochtemperaturprozeß 285 zugeführt. Der in einer Hochtemperaturanlage 287 behandelte Stoff wird von einer Umwälzpumpe 291 durch eine Sekundärleitung 289 des Wärmetauschers 271 umgewälzt.

Das Schema nach Fig. 14 zeigt die Anordnung zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff nach dem in der DT-OS 2 501 726 offenbarten Verfahren, das "Spezial-Prozeß" genannt wird und dessen Reaktionen in der Tabelle V dargestellt sind. Diese Anordnung weist eine Einrichtung 300 für die Elektrolyse, Zwischen-Wärmetauscher 41a und 41b, die in der gleichen Weise wie der Zwischen-Wärmetauscher 41 nach Fig. 2 arbeiten, einen Säurevorwärmer 311, einen Säureverdampfer 313, eine Einheit 305 zur Zersetzung von Schwefelsäure, eine Abwärme-Wiedergewinnungs-Einheit 358 und eine Einheit 307 zur Dampf-/Flüssigkeitstrennung auf.

Die Einrichtung 300 für die Elektrolyse weist eine Elektrolyse-

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Zeileneinheit 301 und einen Gleichspannungsgenerator 325 auf. In der Elektrolysezelleneinheit 301 wird die Reaktion (a) des "Spezial-Prozesses" unter Erzeugung von Wasserstoff und H SO. ausgeführt. Der Wasserstoff wird zur Verwendung weitergeleitet. Das H₂SO₄ ^w^-^r^ ^zu einer Verdampfereinheit 303 geleitet, um die Reaktion (b) des "Spezial-Prozesses" auszuführen und außerdem das H₃SO₄ zu verdampfen. Diese Verdampfereinheit 303 weist den Säurevorwärmer 311 und den Säureverdampfer 313 auf. Die Energie für den Betrieb dieser Verdampfereinheit 303 wird von einem Sekundärzweig 315 des Zwischen-Wärmetauschers 41a bezogen. Das Gas dieses Sekundärzweigs 315 wird durch einen Kompressor 317 verdichtet; das verdichtete Gas wird durch den Sekundärzweig geleitet und expandiert in einer Gasturbine 319, die den Kompressor 317 antreibt. Von der Gasturbine 319 strömt das Gas durch Primärzweige 321 und 323 des Säureverdampfers 313 und des Säurevorwärmers 311 zurück zum Kompressor 317. Die Gasturbine 319 treibt außerdem den Gleichspannungsgenerator 325, der Energie an die Elektrolysezelleneinheit 301 liefert. Die Temperaturen, bei denen dieses Gas in die einzelnen Komponenten des Gaskreislaufs eintritt bzw. aus diesen austritt, sind im schematischen Flußdiagramm nach Fig. 15 angegeben.

Die Säurezersetzungseinheit 305 weist Zersetzungsreaktoren 337 und 339 auf. Die Abwärme-Wiedergewinnungseinheit 358 weist eine Turbine 363, die einen Wechselstromgenerator 369 antreibt, einen zugeordneten Dampferzeuger 357, einen Speisewasservorwärmer 343 und einen Kondensator 365 auf. Die Einheit 307 zur Dampf-Flüssigkeitstrennung weist Dampf-Flüssigkeitstrennvorrichtungn 349, 379, 395 und 401, einen Wärmetauscher 373, Kühler 377 und 385 sowie Kompressoren 383, 391 und 397 auf.

Das entwässerte und verdampfte H₃SO₄ aus der Verdampfungseinheit 303 wird von einem Sekundärzweig 331 des Säureverdampfers 313 durch die Sekundärzweige 333 und 335 der nachfolgenden Zersetzungsreaktoren 337 und 339 der Einheit 30.5 zur Säurezersetzung geleitet, in denen die Reaktion (c) des "Spezial-Prozesses" ausgeführt wird. Das erhaltene Erzeugnis mit Wasser, SO₂ und O₂

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wird durch einen Primärzweig 340 des Zersetzungsreaktors 337, einen Primärzweig 34T des Speisewasservorwärmers 343 und einen Primärzweig 345 einer Kühleinheit 347 in die Dampf-^lüssigkeits-Trennvorrichtung 349 der Einheit 307 für die Dampf-^lüssigkeitstrennung geleitet, in der das SO₂ unter Druck verflüssigt wird. .

Energie wird vom Zwischen-Wärmetauscher 41b an die Zersetzungsreaktoren 337 und 339 geliefert. Das Gas (He) von einem Sekundärzweig 351 dieses Zwischen-Wärmetauschers strömt durch einen Primärzweig 353 des Zersetzungsreaktors 339 und einen Primärzweig 355 des Dampferzeugers 357 der Abwärme-Wiedergewinnungseinheit 358 zurück zum Primärzweig 351.

Ein Sekundärzweig 361 des Dampferzeugers 357 beliefert die Turbine 363, deren Abstrom durch den Kondensator 365 und einen Sekundärzweig 367 des Speisewasservorwärmers 343 strömt. Die Turbine 363 treibt den Wechselstromgenerator 369 an, der elektrische Hilfsenergie dahin liefert, wo sie benötigt wird.

Die Flüssigphase der Dampf-Flüssigkeitstrennvorrichtung 349 enthält Wasser und kleine Mengen SO₃, die schwache Schwefelsäure H_SO^ bilden, die zur Elektrolysezelleneinheit 301 zurückgeleitet wird. Das SO₃ und das O₂ von der Dampf-ji'lüssigkeitstrennvorrichtung 349 strömen durch einen Primärzweig 371 eines Wärmetauschers 373 und durch einen Sekundärzweig 375 des Kühlers 377 in die nächste Dampf-^lüssigkeitstrennvorrichtung 379. Ein Primärzweig 381 des Kühlers 377 wird mit Kühlgas aus dem Kompressor 383 über den Kühler 385, in dem das verdichtete Gas mit Wasser gekühlt wird, beliefert. Das verdichtete Gas expandiert in dem Primärzweig 381.

Das SO₂ und O₂ der Dampf-yFlüssigkeitstrennvorrichtung 379 werden durch den Kompressor 391 verdichtet und über einen Sekundärzweig 393 des Kühlers 377 in die Dampf-^Tlüssigkeitstrennvorrichturig 395 geleitet. Das Gas von der Dampf-^lüssigkeitstrennvorrichtung 395 wird durch den Kompressor 397 verdichtet und durch einen weiteren Sekundärzweig 399 des Kühlers 377 in die Dampf-^lüssigkeitstrennvorrichtung 401 geleitet. Das SO₃ wird in den Dampf-/P-lüssigkeits-

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trennvorrichtungen 379, 395 und 401 verflüssigt und zu einem Sammler 403 geleitet, von wo es über einen Sekundärzweig 405 des Wärmetauschers 373 zu der Elektrolysezelleneinheit 301 zurückgeleitet wird.

Fig. 15 gibt die Wärmemengen und weitere Parameter an. Die Wärmemengen sind in kcal/g Mol zersetzten Wassers angegeben. Die gezeigten Q-Werte stellen die Wärmearbeitszyklen pro Mol zersetztes Wasser und pro Mol 2 g erzeugter Wasserstoff dar. Die Konzentration der Schwefelsäure ist in Gew%, w/o, und die strömende Gasmenge in Kubikfuß/min (cfm) pro Mol zersetztes Wasser angegeben. In Fig. 15 sind die Pumpen und weitere Komponenten der Strömungskrexsläufe nicht dargestellt.

Patentansprüche

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Claims

- 29 Patentansprüche :

Verfahren zur Umwandlung von Kohle und Wasser in wenigstens einen Kohlenwasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß. die Kohle verarbeitet, das Wasser getrennt von der Kohle in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt und der so getrennt umgewandelte Wasserstoff unter Erzeugung des Kohlenwasserstoffs mit der Kohle zur Reaktion gebracht wird .·...""
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Kohlenrückstand bei der Reaktion zwischen Kohle und Wasserstoff verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der gesondert umgewandelte Sauerstoff unter Erzeugung von Kohlenmonoxid mit dem Kohlenrückstand und das Kohlenmonoxid unter Erzeugung weiterer Kohlenwasserstoffe mit dem gesondert erzeugten Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohle bei der Verarbeitung pulverisiert wird.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kernreaktor (21); einen mit Wasser reagierenden ersten chemischen Reaktor (25) zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit einer Einrichtung zum Trennen von Wasserstoff und Sauerstoff; eine Einrichtung zum Zuführen von Wasser zum ersten chemischen Reaktor (25); Verbindungen zwischen dem Kernreaktor (21) und dem ersten chemischen Reaktor (25) für die Zufuhr von Energie zum ersten chemischen Reaktor zur Durchführung der Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff; einen Wasserstoff und Kohle zur Reaktion bringenden zweiten chemischen Reaktor (27) zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohle in den oder die Kohlenwasserstoffe; eine mit dem zweiten chemischen Reaktor (25) verbundene Einrichtung für die Zufuhr von Kohle zum zweiten chemischen Reaktor (27); sowie durch Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten chemischen Reaktor (27) zur Abgabe des im

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ersten chemischen Reaktor (25) umgewandelten Wasserstoffes an den zweiten chemischen Reaktor (27) für die Reaktion mit der Kohle.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernreaktor ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktor ist und die Verbindungen zwischen Kernreaktor und erstem chemischem Reaktor eine Einrichtung zur Energieentnahme durch Wärmeaustausch aus dem Kühlgas des Kernreaktors zur Versorgung des ersten chemischen Reaktors mit Energie aufweisen.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahmeeinrichtung eine Wärmetauscheinrichtung aufweist, die zur Isolierung des Kühlgases vom ersten chemischen Reaktor zwischen diesen und den Kernreaktor geschaltet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der Kohlenrückstände aus der Reaktion zwischen Kohle und Wasserstoff im zweiten chemischen Reaktor verbleiben, gekennzeichnet durch einen dritten chemischen Reaktor, um Kohle und Sauerstoff unter Erzeugung von Kohlenmonoxid zur Reaktion zu bringen; eine mit dem ersten chemischen Reaktor verbundene Einrichtung zur Lieferung von Sauerstoff an den dritten chemischen Reaktor; eine mit dem zweiten chemischen

. Reaktor verbundene Einrichtung zur Lieferung der Kohlerückstände an den dritten chemischen Reaktor, so daß diese unter Erzeugung von Kohlenmonoxid mit dem Sauerstoff reagieren; einen vierten chemischen Reaktor, um unter Erzeugung wenigstens eines zweiten Kohlenwasserstoffs Kohlenmonoxid mit Wasserstoff zur Reaktion zu bringen; eine mit dem dritten chemischen Reaktor verbundene Einrichtung zur Lieferung des darin erzeugten Kohlenmonoxids an den vierten chemischen Reaktor; sowie durch eine mit dem ersten chemischen Reaktor verbundene Einrichtung zur Lieferung des Wasserstoffs an den vierten chemischen Reaktor, so daß

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dieser unter Erzeugung wenigstens eines dritten Kohlenwasserstoffs mit dem Kohlenmonoxid reagiert.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lieferung von Wasserstoff mit dem ersten chemischen Reaktor über den zweiten chemischen Reaktor verbunden und der an den vierten chemischen Reaktor abgegebene Wasserstoff dem zweiten chemischen Reaktor entnommener überschüssiger Wasserstoff ist.

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