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Verfahren und Vorrichtung zur Hydrierung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen
Substanzen Bei der Hydrierung von Kohle oder kohlenstoffhaltigen Substanzen ist
eine gleichmäßige Beheizung und gute und unabhängige Regelung der Reaktionstemperatur
im Hinblick auf die Erzielung hoher Ausbeuten an flüssigen Produkten, und zwar sowohl
nach Quantität wie nach Qualität, von großer Wichtigkeit. Insbesondere ist dies
auch der Fall für Kohlen, die nach einem besonderen Verfahren vor der Hydrierung
mit Gasen oder Dämpfen bei erhöhter Temperatur behandelt wurden.
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Der Zweck des vorliegenden Verfahrens besteht darin, auf einfache
Weise eine gleichmäßige und leicht regelbare Heizwirkung zu erzielen, die Vollständig
unabhängig vom eigentlichen Reaktionsverlauf, insbesondere dem Gasdurchsatz und
der Gasgeschwindigkeit im Reaktionsraum, bleibt. Dadurch ist es möglich, in allen
Fällen die jeweils günstigste Gasgeschwindigkeit anzuwenden und nicht, wie dies
bei bekannten Verfahren notwendig wird, große Überschüsse an Hydriergas. Das vorliegendeVerfahren
erlaubt sogar, den Reaktionsbehälter nur unter Druck zu setzen, wobei die Hydriergase
also nicht hindurchströmen, sondern erst nach beendeter Hydrierung abgelassen werden,
wie dies in manchen Fällen vorteilhaft ist. Trotzdem kann hierbei gleichzeitig eine
gute B#heizung des Reaktionsbehälters erfolgen. Fernerhin läßt sich aber auch eine
äußerst kräftige Heizung erreichen, so daß die Anheizzeit ganz bedeutend verringert
werden kann und daher an Stelle der kontinuierlichen Verfahren, die immer im Betrieb
Schwierigkeiten ergeben -und häufig ein Anpassen des Rohmaterials erfordern, das
Austauschverfahren (Auswechseln des Gefäßinhalts) mitVorteildurchzuführen ist.
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Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die erhitzten Hydriergase vor dem
Eintritt in den Reaktionsraum den Reaktionsbehälter bespülen zu lassen bzw. auch
die erhitzten Hydriergase in solcher Menge und mit solcher Temperatur durch die
Kohlemasse zu leiten, daß sich die notwendige Temperatur einstellt.
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Zu diesen Hydriergasen zählt natürlich in erster Linie der Wasserstoff.
Auch andere Gase werden zu demselben Zwecke genannt.
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Nur Hydriergase als Heizmittel zu benutzen, ist ausschließlich in
den Fällen möglich, wo diese Gase in großem Überschuß zur Anwendung kommen. In diesem
Falle gehen die Gase im Kreislauf durch das Druckgefäß.
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Nach dem neuen Verfahren werden ausschließlich Hydriergase als Heizmittel
benutzt. Dabei werden aber diese Hydriergase in zwei voneinander vollständig unabhängige
Gasströme geteilt, und zwar derart, daß die vorerhitztenHydriergase den Reaktionsbehälter
umspülen und beheizen, wobei der Heizstrom einen in sich geschlossenen Kreislauf
vollführt, dessen Strömungsgeschwindigkeit durch eine besondere Pumpe reguliert
wird, während ein Teil dieser Gase als Hydriergas in den Reaktionsbehälter selbst
eintritt. Dabei stehen beide Gasströme unter demselben Drucke.
Es
ist auch bereits bekannt, den Reaktionsraum sowohl mittels des im Kreislauf geführten
und außerhalb des Kreislaufs aufgeheizten Hydriergases zu heizen, wie auch gleich;-zeitig
durch die Wandung hindurch mittels-.. eines geheizten Gases. Dabei ist aber nichts
darüber gesagt, ob das Hydriergas vom gleichen Strom (Heizstrom) abgezweigt wird.
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Es ist ferner bekannt, die Reaktionstemperatur gleichzeitig sowohl
durch die Temperatur des eingeführtenHydriergases wie auch durch eine anderweitige
indirekte Wärmeübertragung auf die zu hydrierenden Stoffe zu regulieren. Dabei soll
beispielsweise mittels des vorgeheizten Hydriergases die Reaktionskammer zuerst
von außen beheizt und das Gas dann über eine elektrische Heizung in die Reaktionskammer
eingeführt werden. Hierbei ist aber der Hydriergasstrom abhängig vom Heizstrom bzw.
umgekehrt. In einer anderen Ausführungsform soll zwar nur ein Teil des Hydriergases
in den Reaktionsraum eingeführt, der Rest aber nur in Wärmeaustausch mit den Reaktionsprodukten
gebracht werden; eine Beheizung mittels des erhitzten Hydriergases findet also,
in diesemFalle nicht statt.
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Das neue Verfahren erlaubt im Gegensatz zu dem bekannten die Beheizung
des Reaktionsbehälters mit Hydriergas in jedem Falle, gleichgültig ob mit ruhendem
oder mit strömendem Gase gearbeitet wird, ob das Hydrierungsmittel nur in geringer
Menge oder im Überschuß vorhanden sein muß, ob kleine oder große Strörnungsgeschwindigkeiten
im Reaktionsgefäß notwendig sind, beliebig zu regulieren und konstant zu halten,
so daß in allen Fällen eine Abhängigkeit der Veränderung des Hydriergutes, der Hydrierungsmittel
undderReaktionsprodukte von dem als Heizmittel dienenden Gasstrom vollständig ausgeschlossen
ist, was bei den bis jetzt, bekanntgewordenenVerfahren dieser Art nicht der Fall
ist. Auch ist das neue Verfahren, weit Hydrierungs- und Heizmittel aus denselben
Gasen bestehen, genau dieselbe Zusammensetzung haben und unter demselben Drucke
stehen, in seiner Durchführung einfacher als die bekanntgewordenen Systeme. Dies
wird an Hand der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung gezeigt.
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Bei dem neuen Verfahren dient somit als Wärmeüberträger komprimiertes
Hydriergas, also eine Reaktionskomponente. Dabei wird der im Innern des Hochdruckrohres
angeordnete Reaktionsbehälter von außen von diesen Gasen geheizt, die einen vollkommenenKreislauf
über einen Wärmeaustauscher, eine Transportpumpe und einen Ofen (Bleibad usw.) ausführen.
In dem letzteren werden sie auf eine entsprechende, für die Heizung günstigste Temperatur
gebracht, die etwas höher liegt als die Reaktionsternperatur. Da dieser Kreislauf
nur zur Übertragung der notwendigen Wärme, also zur Heizung dient, sei er im folgenden
kurz Heizkreislauf genannt. Im Gegensatz zu diesem werde der den Reaktionsraum passierende
Gasstrorn als Reaktionsgasstrom bezeichnet. Dieser Gasstrom führt unter Umständen
ebenfalls einen Kreislauf aus und besteht, wie der Heizstrorn, aus Wasserstoff oder
wasserstoff reichern Gas, so daß er teilweise mit diesem gemeinsam eine Rohrleitung
benutzt, aber sonst in keiner Weise von ihm abhängig ist. Daher können auch beide
Gasströme beliebig und unabhän-gig voneinander geändert werden; es kann beispielsweise
die Heizwirkung durch Steigerung der Umdrehungszahl der Transportpumpe für den Heizgasstrom
sehr vergrößert werden, und trotzdem kann gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit im
Reaktionsraum sehr klein ' oder beliebig groß sein. Dies ist ein äußerst
wichtiger Punkt bei der Kohleverflüssigung, denn hierbei arbeitet man häufig vorteilhaft
mit kleinen Strömungsgeschwindigkeiten oder man setzt den Reaktionsbehälter überhauptnuruntereineWasserstoffatmosphäre
von hohem Druck, da der Wasserstoff immerhin eine gewisse Zeit braucht, bis er sich
der festen Kohle angelagert hat. In solchen Fällen war aber bisher eine genügende
Heizung durch erhitztes Hydriergas nicht möglich. In der Anheizperiode dagegen wird
man denkeaktionsgasstrom sehr verstärken, wodurch man besonders auch in Verbindung
mit der später noch genauer beschriebenen Zusatzheizung eine große Verkürzung dieser
Leerlaufzeit erreicht. Dies alles ist aber mit den bekannten Verfahren nicht erreichbar,
bei denen Heizgasstrom und Reaktionsgasstrorn ein und dasselbe sind, so daß eine
gesteigerte Heizwirkung unter allen Umständen eine gleichzeitige Vergrößerung der
Gasgeschwindigkeit im Reaktionsbehälter zur Folge hat. Bei diesem Verfahren ist
auch schon mit Rücksicht auf die Erzielung einer einigermaßen gleichmäßigen und
konstanten Temperatur im Reaktionsraum die Anwendungvon großenGasgeschwindigkeiten
bzw. ein großer Überschuß an Hydriergas unbedingt notwendig, da sich sonst ein zu
großer Temperaturabfall vom Eintritts- zum Austrittsende hin ergeben würde.
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Bei dem neuen Verfahren werden die bei Reaktionstemperatur nicht flüchtigen
und die flüchtigen Reaktionsprodukte, die letzteren gemeinsam mit dein Wasserstoffrest,
durch zwei verschiedene Rohrleitungen getrennt abgeführt. Dabei ist es nun möglich,
durch Änderung der Gasgeschwindigkeit auch das Verhältnis der erzeugten flüchtigen
zu den
nichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen in gewissem Maße zu ändern,
so daß man also je
nach Bedarf eine größere oder kleinereMenge an leichteren
oder schwereren Ölen herstellen kann.
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Innerhalb des Hochdruckapparates ist noch die schon erwähnte elektrische
Zusatzheizung oder auch eine von heißen Gasen usw. durchströmte Rohrschlange vorgesehen.
Durch sie kann der Reaktionsgasstrom kurz vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum
noch etwas aufgeheizt werden und somit besser mit der Kohle reagieren. Aber besonders
zur Verkürzung der Anheizzeit kann die Zusatzheizung sehr beitragen. Weiterhin trägt
sie noch zur gleichmäßigen Temperaturverteilung besonders bei Reaktionsbehältern
mit großer lichter Weite bei, wenn man den Reaktionsstrom vor seinem Auftreffen
auf die ,gepulverte Kohle durch ein oder mehrere gerade oder gewundene Rohre leitet,
die in der Mitte der Kohlenmasse-angebettet sind.
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Die Rückstände des Hydrierverfahrens werden zur vollkommenen Ausnutzung
der Rohstoffe als Wärmequelle für die Beheizung des Hochdruckapparates verwendet.
Auch wird der Wärmehaushalt noch durch Aufstellung eines oder mehrerer Wärmeaustauscher
nach der üblichen Art und Weise stark verbessert.
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Das neue Verfahren läßt sich natürlich auch kontinuierlich durchführen,
indem man entweder auf demDeckel desApparates einen kleinen Nachfüllbehälter anordnet,
oder aber die fein gekörnten Ausgangsprodukte nach Art der bekannten Preß- oder
Saugluftförderanlagen in den Reaktionsraum bläst, wobei man die Luft durch das Hydriergas
oder ein indifferentes Gas ersetzt.
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Alle diese Methoden haben jedoch den Nachteil, daß sie besondere Vorrichtungen
erfordern und daher leicht zu Betriebsstörungen Anlaß geben, so daß der vermeintliche
Vorteil eines kontinuierlichen Betriebes leicht in dasGegenteil umschlägt. Deshalb
empfiehlt es sich besonders bei großen Apparateeinheiten, mit Rücksicht auf die
durch das neue Verfahren erreichbare kurze Anheizperiode, nach dem Austauschverfahren
zu arbeiten, wobei die Betriebspausen äußerst eingeschränkt werden, so daß diese
Arbeitsweise unter den vorliegenden Umständen in der Leistung fast der kontinuierlichen
gleichkommt und dabei noch den Vorteil der Einfachheit und der Ersparung besonderer
Vorrichtungen voraus hat.
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Man hat hierbei lediglich zu jedem Hochdruckapparat zwei gleiche Reaktionsbehälter
notwendig. Dieser Mehraufwand an Reaktionsbehältern verursacht jedoch keinen großen
Kostenaufwand, da diese Behälter aus dünnem Blech oder Blechrohren hergestellt werden
und daher nicht teuer sind und weil ohnedies zur Erreichung einer gewissen Betriebssicherheit
solche Behälter in Reserve gehalten werden müßten. Während ein Reaktionsbehälter
gerade im Hochdruckapparat eingebaut ist und sich im Betrieb befindet, wird der
andere Behälter gereinigt, gegebenenfalls repariert und mit der neuen Charge gef
' üllt. Wenn nun der Kohleverflüssigungsprozeß im Hochdruckrohr zu Ende geführt
ist, so wird der Druck aus dem Apparat abgelassen, der Deckel des Hochdruckrohres
abgenommen und der (oder auch die) Reaktionsbehälter herausgenommen. An dessen Stelle
wird der zuvor gefüllte und schon bereitgestellte Behälter gebracht. Der Hydrierungsprozeß
kann nun sofort durch Anheizen der neuen Beschickung wieder eingeleitet werden.
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Nachdem- der Unterschied und die Vorteile gegenüber dem Bekannten
genau erläutert wurden, sei nun das ganze Verfahren nochmals beispielsweise an Hand
der beiliegenden schematischen Zeichnung erklärt.
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Diese Abbildung stellt eine einfache Hydrierungsanlage dar. Der Hochdruckapparat
ist im Schnitt gezeichnet und besteht in der Hauptsache aus dem Hochdruckrohra mit
den dazugehörigen Deckeln. Der Heizgasstrom tritt durch Rohr b und den oberen
Deckel gemeinsammitdemReaktionsgasstrom in den Raum zwischen dem am oberen Deckel
befestigten äußeren Blechzylinder c und dem Reaktionsbehälter d. Die heißen
Gase be-
heizen so beim Durchstreichen dieses Raumes den Reaktionsbehälter
und halten ihn auf der gewünschten Temperatur. Der Reaktionsgasstrom zweigt sich
am unteren Ende des Rohres vom Heizstrom ab und tritt durch Öffnungen oder Schlitze
e in die elektrische Zusatzheizungf. Von hier strömt das Hydriergas durch das Rohrg
in denReaktionsraumh, während der Heizgasstrom durch Stutzen i im unteren Deckel
den Apparat verläßt und über den Doppelrohrwärmeaustauscher k zur regelbaren
Zirkulationspumpe 1 gelangt, die natürlich durch die vorherige Abkühlung
der Umlaufgase im Wärmeaustauscher bedeutend an Betriebssicherheit gewinnt. Von
dieser Pumpe führt der Heizstrom über einen Ofen m, der etwa aus einer Heizschlange,
die in einem Bleibad liegt, besteht, wieder zum Eintrittsstutzen b zurück,
so daß der Kreislauf nun vollständig geschlossen ist. Dieser Kreislauf kann durch
die Umlaufpumpe 1
leicht verändert werden, wodurch dann eine Änderung der
Heizwirkung hervorgerufen wird. Im Reaktionsbehälter d ist der untere Teil
n durch ein perforiertes Blech o (ein Sieb oder ein anderes Mittel) von Kohle freigehalteii.
In
diesem Teil sammeln sich die Reaktionsprodukte an und werden dann von hier aus durch
zwei getrennte Leitungen nach außen geführt, und zwar die nicht flüchtigen Produkte
durch die Leitung p und die flüchtigen Erzeugnisse gemeinsam mit dem Wasserstoffrest
durch Leitung q. Um die Wärmeverluste möglichst zu verringern und die Druckwandung
vor zu hoher Temperatur zu schützen, ist ein doppelwandiger Isolierzylinder r zwischen
Blechzylinder c und Druckrohr a gebracht. Dieser Raum wird durch die strichpunktiert
gezeichnete Rohrleitung s mit der Druckseite des Hochdruckkompressors t verbunden,
so daß sich dieser kaum mit kaltem Wasserstoff füllt. Um den Schutz der Hochdruckwandung
noch zu verbessern, leitet man dauernd oder zeitweise kalten komprimierten Wasserstoff
durch den Ringraum zwischen Isolierzylinder und Druckrohr a. Dieser Wasserstoff
wird beispielsweise durch die Leitung s zu- und durch eine andere Leitung
u wieder abgeführt, wobei die Stärke dieses Stromes durch ein Ventil v reguliert
werden kann. Die vom Hochdruckkompressort kommenden Hydriergase strömen also entweder
direkt oder nach Verwendung als Schutz der Hochdruckwandung zum Wärineaustauscher
k. Danach vereinigen sich diese vorgewärmten Gase mit dem Heizgasstrom, gehen
mit diesem zusammen durch den Ofen m und zum Hochdruckapparat. In diesem letzteren
zweigt der Reaktionsstrom wieder vom Heizstrom ab und nimmt seinen Weg, wie bereits
beschrieben, durch den Reaktionsapparat. Die flüchtigen Reaktionsprodukte und der
Wasserstoff bzw. Hydriergasrest werden dann durch Rohrleitungq abgeführt und kommen
zu den Kondensationsapparaten x, in welchen sich die Reaktionsprodukte in flüssiger
Form abscheiden und aus den Behältern x, durch Ventile abgelassen werden können,
Zur vollständigen Schließung des Reaktionsgaskreislaufes werden die Restgase dem
Gasometer y zugeleitet, aus dem der Kompressor t die Hydriergase wieder ansaugt.
Dieser Kreislauf ist also ebenso wie der Heizgaskreislauf beliebig und unabhängig
von dem letzteren regelbar.
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Um den Hydrierprozeß kontinuierlich gestalten zu können, ist beispielsweise
am oberen Deckel des Hochdruckrohres ein kleines Nachfüllgefäß w mit Deckel w, angebracht,
das durch ein kurzes Rohrstück mit dem Reaktionsbehälter verbunden ist und durch
ein Ventil wl leicht davon abgesperrt werden kann, während durch w3 Gas eingeleitet
werden kann. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung darf als bekannt angesehen werden;
sie bietet, wie schon gesagt, nur einen scheinbaren Vorteil, und es ist vorteilhafter,
nach dem Austauschverfahren zu arbeiten.
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Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung ergeben also eine gleichmäßige
Beheizung des Reaktionsraumes, die in ihrer Intensität leicht allen Bedürfnissen
angepaßt werden kann und insbesondere auch kurze Anheizzeiten ermöglicht. Dabei
ist die Heizung vollständig unabhängig von der Reaktionsgasmenge, so daß in allen
Fällen und ohne Rücksicht auf die Heizung die günstigste Gasgeschwindigkeit im Reaktionsraum
angewandt werden kann, wodurch sich gute Ausbeuten an wertvollen flüssigen Produkten
erzielen lassen.