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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pyrolysieren
eines Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt
ist, um eine organische Verbindung auf Olefinbasis oder ein synthetisches
Gas zu erzeugen, das Wasserstoff oder eine organische Verbindung
auf Olefinbasis enthält.
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Aus
US-A-4,044,068 ist eine Vorrichtung für das autothermische Cracken
von Ethan zu Ethylen bekannt. Diese herkömmliche Vorrichtung umfasst ein
längliches
Gehäuse,
eine Einrichtung zum Erzeugen von Ethan, eine Auslasseinrichtung
zum Ausgeben einer Reaktionsmischung, eine Vielzahl von Reaktionseinheiten
aus porösen
Rohren und eine Einrichtung zum Einführen von Sauerstoff in die
Röhren.
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Aus
US-A-3,741,736 ist eine Vorrichtung zum Vorbereiten von Azetylen-Ethylen-Mischungen durch
eine Reaktion von wenigstens einem leicht gesättigten Kohlenwasserstoff mit
Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas in einer Diffusionsflamme
bekannt. Die Diffusionsflamme wird in einer Brennkammer mit wenigstens
einer Düse
für das
Zuführen
des Kohlenwasserstoffes und einem Flusskanal um die Düse herum
für das
Zurühren
von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas erzeugt. Die Düse und der
Kanal führen
Gas mit einem Moment zu, das ausreicht, um einen turbulenten Strom
zu erzeugen.
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Aus
US-A-2,548,759 ist eine Vorrichtung für die Erzeugung von Diolefinkohlenwasserstoffen
aus Kohlenwasserstoffen bekannt, wobei Sauerstoff durch ein poröses feuerfestes
Glied eingeführt
werden kann, um eine Mischung der Kohlenwasserstoffzufuhr mit dem
Sauerstoff vorzusehen und eine Teiloxidation zu erreichen.
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Aus
US-A-5,583,240 ist eine Vorrichtung für die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen
unter Verwendung von Sauerstoff bekannt. Diese herkömmliche
Vorrichtung ist ein Reaktor mit mehreren Röhren, wobei Kohlenwasserstoff
durch eine Einlassöffnung
oben am Reaktor in eine mit jeder Röhre verbundene Einlassplenumkammer
eingeführt
wird. Sauerstoff wird in die Schale des Reaktors eingeführt. Das
resultierende Produkt kann durch die Röhren austreten. Ein Kühlabschnitt
ist vorgesehen, um die Reaktionsprodukte zu kühlen.
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Schließlich gibt
EP-A-607 862 eine Vorrichtung zum Erhalten von Kohlenwasserstofföl aus Abfallkunststoffmaterialien
oder Abfallgummimaterialien an. Diese herkömmliche Vorrichtung umfasst
einen Thermocrackabschnitt, um ein thermisches Cracken von Abfallkunststoffmaterialien
oder Abfallgummimaterialien zu bewerkstelligen und ein thermisches Crackprodukt
zu erhalten; einen Abschnitt für
ein katalytisches Cracken, in dem das thermisch Crackprodukt einem
katalytischen Cracken unterworfen wird, um ein katalytisches Crackprodukt
zu erhalten; einen Kühlabschnitt
zum Kühlen
des katalytischen Crackprodukts, um ein erstes Kohlenwasserstofföl zu erhalten;
einen Oligomerisierungsabschnitt, in dem die Crackgaskomponente
einer Oligomerisierung unterworfen wird, indem Polymerisierungskatalysatoren verwendet
werden, um ein zweites Kohlenwasserstofföl zu erhalten; und einen Wiederherstellungsabschnitt,
um das erste und das zweite Kohlenwasserstofföl wiederherzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Pyrolyse
eines Kohlenwasserstoffgases anzugeben, die nicht auf eine hohe
Temperatur erhitzt werden muss, sodass sie mit reduzierten Betriebskosten
betrieben werden kann und weniger verformt wird.
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Die
Vorrichtung der Erfindung sieht ein rasche Abkühlung des pyrolysierten Gases
vor, um die Betriebskosten zu reduzieren und das Ertragsverhältnis des
nutzbaren Gases zu erhöhen.
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Die
Vorrichtung der Erfindung umfasst eine Zersetzungsreaktionssäule mit
einem Einlass, der an einem Ende derselben vorhanden ist und über den ein
Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist,
in diese hinein zugeführt
werden kann; einen Auslass, der am anderen Ende derselben vorhanden
ist und über
den ein Gas einer organischen Verbindung auf Olefinbasis, das erzeugt wird,
abgeleitet werden kann; eine Gruppe poröser Röhren, die sich vertikal innerhalb
der Reaktionssäule
erstrecken; ein Kopfteil, das mit den porösen Röhren verbunden ist, um den
porösen
Röhren
Luft oder Sauerstoff zuzuführen;
wobei das Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt
ist, an der Außenseite
der porösen
Röhren
entlanggeleitet wird, und wobei die Luft bzw. der Sauerstoff aus dem
Inneren in einer Richtung senkrecht zu dem Strom von Kohlenwasserstoffgas,
das optional mit Wasserdampf gemischt ist, homogen auf die Außenseite
der porösen
Röhren
geblasen wird und ein Zündsystem
vorhanden ist, um eine Diffusionsflammenschicht an der Außenfläche der
porösen
Röhren zu
erzeugen, und die Diffusionsflammenschicht als eine Wärmequelle
dient, die erforderlich ist, damit das Kohlenwasserstoffgas eine
Radikalenreaktion durchlaufen kann.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
und andere Verbesserungen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
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Um
die vorstehend genannte Diffusionsflammenschicht zu bilden, lässt man
ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf
gemischt ist, gleichmäßig durch
einen Zwischenraum zwischen verschiedenen porösen Röhren strömen, die eine Gruppe von porösen Röhren bilden,
die sich vertikal in einer Zersetzungsreaktionssäule erstrecken. Dann wird Luft
oder Sauerstoff homogen aus dem Inneren der porösen Röhren zu der Außenseite
der porösen
Röhren
in einer Richtung senkrecht zu dem Strom des zu zersetzenden Kohlenwasserstoffgases,
das optional mit Wasserdampf gemischt ist, geblasen. Das zu zersetzendes
Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist,
wird dann gezündet,
um eine Diffusionsflammenschicht auf der Außenfläche der porösen Röhren zu bilden. Alternativ
hierzu lässt
man Luft oder Sauerstoff gleichmäßig durch
den Zwischenraum zwischen verschiedenen porösen Röhren strömen, die eine Gruppe von porösen Röhren bilden,
die sich vertikal in einer Zersetzungsreaktionssäule erstrecken. Ein zu zersetzendes
Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist,
wird in die porösen
Röhren
eingeführt.
Luft oder Sauerstoff wird dann homogen von der Außenseite
der porösen
Röhren
in das Innere der porösen
Röhren
in einer Richtung senkrecht zu dem Strom eines zu zersetzenden Kohlenwasserstoffgases,
das optional mit Wasserdampf gemischt ist, geblasen.
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Weiterhin
ist in der Vorrichtung der Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
eine Abkühlungseinrichtung
zum raschen Abkühlen
des Gases neben dem Pyrolyseteil mit den porösen Röhren vorgesehen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm, das das Konzept der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases
gemäß dem ersten
Beispiel der Erfindung darstellt.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Teils A in 1 und 3.
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3 ist
eine Diagramm, das das Konzept der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases,
das optional mit Wasserdampf gemischt ist, gemäß dem zweiten Beispiel der
Erfindung zeigt.
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4 ist
eine vergrößerte Teilschnittansicht des
Doppelröhrenteils
von 3.
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5 ist
ein Diagramm, das die Feststartmaterial-Vergasungsvorrichtung zeigt,
die mit der Pyrolysevorrichtung gemäß der Erfindung verbunden ist.
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6 ist
ein Diagramm, das das Konzept der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases
mit einer Gasschnellkühlsäule gemäß dem dritten
Beispiel der Erfindung zeigt.
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7 ist
eine Draufsicht auf einen Gasschnellkühlteil der Vorrichtung für die Pyrolyse
eines Kohlenwasserstoffgases von 6.
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Ausführliche
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
Erfindung in Verbindung mit den folgenden Beispielen mit Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Diagramm, das das Konzept einer Vorrichtung für die Pyrolyse
eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem ersten
Beispiel der Erfindung darstellt. In diesem Diagramm gibt das Bezugszeichen 1 eine
Zersetzungsreaktionssäule
an, die an ihrem oberen Teil einen Diffusor 2 und an ihrem
unteren Teil einen Reduzierer 3 aufweist. In der Zersetzungsreaktionssäule 1 erstreckt
sich eine Gruppe von porösen
Röhren.
Die Reaktionssäule
kann zylindrisch oder prismatisch geformt sein.
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Die
verschiedenen porösen
Röhren
der oben genannten Gruppe von porösen Röhren sind jeweils aus einem
porösen
Metall- oder Metallfilmmaterial mit einer Porengröße im MF
(Mikrofilterung)- oder UF (Ultrafilterung)-Bereich ausgebildet.
Als poröses
Metall- oder Metallfilmmaterial kann SUS, Werkzeugstahl, Inconel,
eine Titanlegierung, eine Aluminiumlegierung oder ähnliches
verwendet werden.
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Die
verschiedenen porösen
Röhren 4 sind
an ihrem oberen Ende geschlossen und an ihrem unteren Ende mit einem
Kopfteil 5 verbunden. Das Kopfteil 5 ist eine
hohle Platte. Von der oberen Fläche
des Kopfteils 5 stehen nicht-poröse Röhren 7 vor, die mit den
oben genannten porösen
Röhren 4 jeweils über ein
Gelenk 6 verbunden sind.
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Am
unteren Ende des Diffusors 2 und über der Gruppe der porösen Röhren ist
ein Distributor 8 vorgesehen. In dem Zwischenraum zwischen
den Außenflächen der
oberen Teile der verschiedenen porösen Röhren 4 ist ein Zündsystem 9 vorgesehen.
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Der
Diffusor 2 ist mit einem Einlass 2a versehen,
durch den ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas wie etwa ein
Paraffingas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt werden
kann. Der Reduzierer 3 ist mit einem Auslass 3a versehen,
durch den ein durch die Zersetzung und Reinigung erhaltenes Gas wie
etwa ein Olefingas aus der Zersetzungsreaktionssäule ausgeführt wird. Das Kopfteil 5 ist
mit einer Düse 5a versehen,
durch die Luft oder Sauerstoff in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt wird.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der Zersetzungsreaktionssäule 1 beschrieben.
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Ein
zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf
gemischt ist, wird über einen
Einlass 2a in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt, durch
den Distributor gerichtet und strömt dann von dem oberen Teil
der Reaktionssäule 1 gleichmäßig durch
den Zwischenraum zwischen den verschiedenen porösen Röhren 4.
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Separat
dazu wird Luft oder Sauerstoff, die bzw. der durch die Zuführdüse 5a in
die Reaktionssäule 1 eingeführt wurde,
homogen aus den porösen Röhren durch
die Poren in dem porösen
Metallmaterial in einer Richtung senkrecht zu dem Strom des zu zersetzenden
Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt ist,
aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite
der porösen
Röhren
geblasen.
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Wenn
die gasförmige
Mischung unter diesen Bedingungen durch das Zündsystem 9 gezündet wird,
wird eine Diffusionsflammenschicht B auf der Außenfläche der porösen Röhren 4 wie in 2 gezeigt
gebildet. Mit dieser Diffusionsflammenschicht als Wärmequelle
wird das zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas wie etwa Paraffingas,
das optional mit Wasserdampf gemischt ist, einer Radikalenreaktion
(einer Reaktion der freien Radikale) unterzogen, um eine gasförmige organische
Verbindung auf Olefinbasis mit einer chemischen Zusammensetzung
mit kürzeren
Ketten oder ein synthetisches Gas zu erzeugen, das Wasserstoff,
Methan, Kohlenmonoxid und eine gasförmige organische Verbindung
auf Olefinbasis enthält
und eine chemische Zusammensetzung mit kürzeren Ketten aufweist.
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3 ist
ein Diagramm, das das Konzept einer Vorrichtung für die Pyrolyse
eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem zweiten
Beispiel der Erfindung zeigt. Weil sich das vorliegende Beispiel
nur dadurch von dem ersten Beispiel unterscheidet, dass nicht-poröse Röhren 10 konzentrisch
zu den porösen Röhren 4 um
den Umfang der porösen
Röhren 4 herum
mit dazwischen einem Zwischenraum vorgesehen sind, wird auf eine
wiederholte Beschreibung des restlichen Aufbaus verzichtet: Wie
im Detail in 4 gezeigt, lässt man Luft durch die innere
Röhre einer Doppelröhre strömen, die
sich aus dem porösen Rohr 4 als
Innenröhre
und der nicht-porösen
Röhre 10 als
Außenröhre zusammensetzt,
während
ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf
gemischt ist, durch den Raum (Doppelröhrenteil) strömt, der
durch die Innenröhre und
die Außenröhre definiert
wird, damit das zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas wie in dem
ersten Beispiel einer Radikalenreaktion unterzogen wird, um eine
gasförmige
organische Verbindung auf Olefinbasis mit einer chemischen Zusammensetzung
mit kürzeren
Ketten oder ein synthetisches Gas zu erzeugen, das Wasserstoff,
Methan, Kohlenmonoxid und eine gasförmige organische Verbindung
auf Olefinbasis enthält
und eine chemische Zusammensetzung mit kürzeren Ketten aufweist.
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Gemäß dem vorstehenden
Beispiel strömt Luft
oder Sauerstoff aus dem Inneren der porösen Röhren 4 zu der Außenseite
der porösen
Röhren 4, während ein
zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf
gemischt ist, entlang der Außenflächen der
porösen
Röhren 4 strömt. Es kann
aber auch ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional
mit Wasserdampf gemischt ist, im Inneren der porösen Röhren 4 strömen, während Luft
oder Sauerstoff von der Außenseite
der porösen Röhren 4 in
das Innere der porösen
Röhren 4 strömt.
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Weiterhin
wird gemäß dem oben
beschriebenen Beispiel ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas,
das optional mit Wasserdampf gemischt ist, in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt. Wie
in 5 gezeigt, kann auch ein Gas durch einen Prozess
erzeugt werden, der das Zuführen
eines festen Startmaterials wie etwa Abfallkunststoff in eine Vergasungsvorrichtung 11 sowie
das Erhitzen durch eine Erhitzungsvorrichtung 13 für eine Zersetzung
zu einem Gas und einem Reststoff umfasst, wobei das zersetzte Gas
dann durch den Einlass 2a in die Reaktionssäule 1 eingeführt wird.
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In Übereinstimmung
mit dem vorstehenden Beispiel weist die Zersetzungsreaktionssäule 1 den Einlass 2a an
ihrem oberen Teil und den Auslass 3a an ihrem unteren Teil
auf. Die Zersetzungsreaktionssäule 1 kann
aber auch den Einlass 2a an ihrem unteren Teil und den
Auslass 3a an ihrem oberen Teil aufweisen.
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6 ist
ein Diagramm, das das Konzept einer Vorrichtung für die Pyrolyse
eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem ersten
Beispiel der Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform weist der obere Teil
der Reaktionssäule
den gleichen Aufbau auf wie in der ersten Ausführungsform, während der
untere Teil einer Gasschnellkühlsäule 100 für das in
dem oberen Teil erzeugte pyrolysierte Gas entspricht. Kühlmittelsprühröhren 14 sind
entlang eines inneren Umfangteils der Gasschnellkühlsäule 100 angeordnet.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der Vorrichtung beschrieben.
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Das
in der Reaktionssäule
pyrolysierte Gas wird wie in 6 gezeigt
direkt von der Reaktionssäule
zu der Gasschnellkühlsäule 100 ausgegeben. Wie
in 6 und 7 gezeigt wird ein Kühlmittel von
einem Schlitz oder einem Sprühloch
in den Kühlmittel-Sprühröhren 14 zu
dem Gasflusspfad derart gesprüht,
dass das Kühlmittel
schräg
in Bezug auf das Zentrum des Gaskühlungsteils gesprüht wird,
um einen spiralförmigen
Luftfluss in dem Gasschnellkühlteil
wie in 7 gezeigt zu erreichen. Die Kühlmittel-Sprühröhren 14 sind
in der Gasschnellkühlsäule 100 angeordnet,
um das in dem oberen Teil der Reaktionssäule 1 erzeugte Gas
schnell zu kühlen.
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Im
Gegensatz zu den herkömmlichen
Zersetzungsprozessen und -vorrichtungen ist die Pyrolysevorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Kohlenwasserstoffgas
durch die Verdampfung von Naphta oder ähnlichem, das optional mit
Wasserdampf gemischt ist, erhaltenes Gas in direkten Kontakt mit
Luft oder Sauerstoff treten kann, um eine Diffusionsflammenschicht
zu bilden, wobei dann die Mischung einer Radikalenreaktion mit der
Diffusionsflammenschicht als Wärmequelle
unterzogen wird.
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Unter
Verwendung der Vorrichtung der Erfindung kann eine gewünschte organische
Gasverbindung auf Olefinbasis oder ein gewünschtes synthetisches Gas,
das Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und eine organische Gasverbindung
auf Olefinbasis enthält,
mit einer chemischen Zusammensetzung mit kurzen Ketten erzeugt werden,
ohne dass hierzu ein Prozess mit einer hohen Temperatur oder einem hohen
Druck erforderlich ist, wodurch die Betriebskosten reduziert werden
können
und eine Verformung vermieden werden kann.
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Außerdem kann
das erzeugte Gas nach der Radikalenreaktion rasch gekühlt werden,
wodurch der Ertrag des gewünschten
Gases erhöht
werden kann.