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Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung kohlenwasserstoffhaltiger Gase
unter Druck durch Zuführung von Sauerstoff Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Spaltung kohlenwasserstoffhaltiger, insbesondere methanhaltiger
Gase unter Druck durch Zuführung von Sauerstoff zwecks Gewinnung von Wasserstoff,
Kohlenoxyd oder Gemischen solcher Gase.
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Es ist bekannt, zur Herstellung von Wasserstoff aus kohlenwasserstoffhaltigen
Gasen, wie Koksofengas, Gasen der Sauerstoffdruckvergasung, Restgas der Benzinsynthese
u. a., die Spaltung der Gase unter Druck und bei Temperaturen von 130o° und mehr
in Abwesenheit von Katalysatoren unter Erzeugung der Reaktionswärme unter Zusatz
von sauerstoffhaltigen Gasen, gegebenenfalls unter Anwendung eines Überschusses
von Wasserdampf, durchzuführen. Zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist
ein Ofen bekannt, bei dem um eine Verbrennungskammer Regeneratoren angeordnet sind,
in denen der Wärmeaustausch zwischen umgesetzten und ankommenden Gasen vorgenommen
wird. Diesen Ofen hat man dadurch verbessert, daß die senkrecht über und unter der
Verbrennungskammer angeordneten Regeneratoren in den Zonen höherer Temperatur aus
Steinstapeln mit großen freien Räumen und in der Zone niedrigerer Temperatur aus
Lochstapeln mit kleinen freien Räumen bestehen, wobei vorteilhaft die sauerstoffhaltigen
Gase in der Mitte des Ofens zugeführt wurden. Die bisher ausgeführten Öfen dieser
Art besitzen einen unverhältnismäßig großen Gitterraum,
der beispielsweise
je. Normalkubikmeter stündlicher Spaltgasmenge in jedem Regenerator bis etwa 15
1 beträgt, also bei zwei zu einer Spalteinheit gehörenden Regeneratoren 25 bis 301
Gitterraum umfaßt.
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Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dä,ß dieser für die Durchführung
des bekannten Verfahrens notwendige Gitterraum zur Aufheizung der Rohgase vor ihrer
Spaltung durch Zuführung von Sauerstoff wesentlich verkleinert werden kann, beispielsweise
bis auf 1,51 und weniger je Normalkubikmeter stündlicher Spaltgasmenge,- wenn die
zur Spaltung der Rohgase benötigte Sauerstoffmenge während der Aufheizung des Rohgases
in dem wärmeabgebenden Regenerator zeitlich mit steigender Menge zugeführt wird.
Es erfolgt also nach der Erfindung nicht mehr wie .bisher eine konstante Zuführung
des Sauerstoffes in den Spaltraum, sondern eine zeitlich steigende Zuführung der
Sauerstoffmenge, die in der Weise bemessen wird, daß der mit der Zeit immer stärker
zunehinende Temperaturabfall des im Regenerator aufgeheizten Rohgases wieder ausgeglichen
wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Spalttemperatur im Spaltraum ihrerseits
konstant und von niedrigerer Höhe als bisher erforderlich gehalten werden kann.
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An sich liegt kein Anlaß vor, einen derartigen Temperaturausgleich
im Abfall der Temperatur der im Regenerator aufgeheizten Rohgase. vorzunehmen, weil
durch entsprechend höhere Anordnung der Spalttemperatur auch am Ende jeder Generatorperiode
noch genügend Temperaturhöhe zur Durchführung der Spaltung aufrechterhalten werden
kann. Aus diesem Grunde wurde bisher auf eine Steuerung der Sauerstoff- und nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung gegebenenfalls auch der Dampf- und Kohlensäuremenge
verzichtet.
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Sofern Wasserdampf in an sich bekannter Weise gegebenenfalls dem Regenerator
mit den aufzuheizenden Rohgasen zugesetzt wird, erfolgt dieser Zusatz vorteilhaft
ebenfalls in steigender Menge wie bei dem Sauerstoffzusatz, wodurch eine größere
Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung der Spaltgase erzielt wird. Umgekehrt wird ein
Kohlensäurezusatz zeitlich über die Dauer der Rufheizung der Rohgase im Regenerator
vermindert, was ebenfalls zur gleichmäßigeren Zusammensetzung des Spaltgases beiträgt.
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Der zur Durchführung der Verfahren nach der Erfindung geeignete Regenerator
wird also mit einem Gitterraum ausgestattet, der beispielsweise nicht mehr als 2,5
1, vorteilhaft nicht mehr als i,51 je Normalkubikmeter stündlicher Spaltgasmenge
beträgt. Entsprechend diesem geringen Gitterraum steigt die Leistung des Regenerators
naturgemäß um ein Vielfaches gegenüber derjenigen nach der bisher ausgeführten Bauweise.
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An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung weiter erläutert.
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Abb. i zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung
zur Spaltung kohlenwasserstoffhaltiger Gase unter Zuführung von Sauerstoff. Daneben
sind in einem Diagramm die Temperaturveränderungen dargestellt, die das Gasgemisch
auf dem Wege durch die Vorrichtung erfährt; Abb.2 zeigt .den zeitlichen Temperaturverlauf
an einzelnen Stellen des Gasweges durch die Anlage nach der bisherigen Arbeitsweise;
Abb.3 zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf an denselben Stellen des Gasweges durch
die Anlage nach der erfindungsgemäßen Arbeitsweise.
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Die Abb. i bis 3 stellen alle die Temperaturänderungen in einem Spaltgenerator
während des Betriebes mit Hilfe dreier Variablen, der Temperatur, der- Zeit und
der Weglänge, dar.
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In Abb. i wird das System zu einem bestimmten Zeitpunkt betrachtet,
in Abb. 2 und 3 bei verschiedenen Zeiten, aber an einzelnen, bestimmten Punktenauf
dem Wege des Gases durch die Anlage.
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Die in Abb. i schematisch und beispielsweise dargestellte Spaltanlage
besteht aus dem Spaltraum i, der über Durchlässe mit den Regeneratoren 2 und 3 in
Verbindung steht. Die Regeneratoren sind bei q. und 5 mit Leitungen versehen, die
abwechselnd der Zuleitung des Rohgasgemisches oder der Abführung des thermisch umgesetzten
Gases dienen. Dem Spaltraum i wird durch die Leitung 6 Sauerstoff zugeführt. In
dieser Leitung ist gemäß der Erfindung ein Steuerorgan 7 eingebaut, das den Sauerstoffzusatz
in bestimmter Abhängigkeit von der Zeit .ändert.
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Neben diesem schematischen Längsschnitt durch die Spaltanlage zeigt
ein Diagramm den Verlauf der Gastemperatur auf dem Wege des Gases vom Eintritt q.
zum Austritt 5. Der mit a .bezeichnete Linienzug zeigt den Temperaturverlauf bei
Beginn einer Arbeitsperiode des Regenerators 2, die für Regenerator 3 Aufheizperiode
ist. Der Linienzug e gibt den Temperaturverlauf am Ende dieser Periode. Die Punkte
A und E bezeichnen die Temperaturen, mit denen das Rohgas am Anfang bzw. am Ende
der Arbeitsperiode in den Spaltraum eintritt, der Punkt C die Spalttemperatur.
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' Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß am Ende der Arbeitsperiode
eine größere Sauerstoffzufuhr erforderlich ist, um vom Temperaturniveau E auf das
Temperaturniveau C zu gelangen, als für den entsprechenden Schritt von A nach C
am Anfang der Arbeitsperiode. Das bedeutet umgekehrt, daß die Sauerstoffzufuhr zeitlich
veränderlich sein muß, wenn die Reaktionstemperatur im Spaltraum konstant bleiben
soll.
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Die Abb. 2 und 3 stellen den Temperaturverlauf an verschiedenen Punkten
der Anlage in der Abhängigkeit von der Zeit über den ganzen, aus Arbeits- und Aufheizperiode
bestehenden Arbeitszyklus dar. Abb.2 gilt für eine Arbeitsweise mit zeitlich konstantem
Sauerstoffstrom, Abb.3 für eine solche mit erfindungsgemäß zeitlich veränderter
Sauerstoffzufuhr. Die Kurve 1q. (Abb.2) stellt die Gastemperatur am Austritt aus
dem wärme.-abgebenden Generator während der Arbeitsperiode dar. Die Meßstelle befindet
sich in Höhe der Geraden durch A und E in Abb. i. An dieser Stelle
herrscht
während der Aufheizperiode dieselbe Temperatur wie in der Reaktionskammer (Kurve
12 in Abb.2). Mit den durch Kurve 14 beschriebenen Verhältnissen sind die Vorgänge
am gleichen Punkt während der Aufheizperiode nicht vergleichbar, weshalb eine an
sich mögliche Darstellung des Temperaturverlaufs in dem der Kurve 1q. benachbarten
Feld nicht aufgenommen ist.
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Kurve 13 (Abb. 2) gibt den Temperaturverlauf im Material der Steinfüllung
eines Regenerators während der Arbeitsperiode und der Aufheizperiade, also über
den ganzen Arbeitszyklus wieder. Die Meßstelle liegt wieder in Höhe der Geraden
E, A in Abb. i.
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Kurven i i und 12 (Abb. 2) stellen den Temperaturverlauf in :der Reaktionskammer
während des ganten Arbeitszyklus dar. Beide Kurven müssen den gleichen Verlauf haben.
Zu beachten ist nur, daß die Richtungen des Gasstromes für i i und 12 entgegengesetzt
sind. Beide Kurven bringen zum Ausdruck, daß bei konstanter Sauerstoffzufuhr .die
Temperatur in der Reaktionskammer, in der es nur Arbeitsperioden gibt, im Rhythmus
der Änderung der Gasströmungsrichtung schwanken muß.
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ach .der erfindungsgemäßen Arbeitsweise, die durch die Kurven der
Abb.3 beschrieben ist, wird die Reaktionstemperatur im Spaltraum konstant gehalten,
etwa bei 130o°, wie die beiden waagerechten Strecken 15 und 16 zum Ausdruck bringen.
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Die Kurven 1 7 und 18 der Abb. 3, .die den Kurven i3 und 1..1. der
Abb.2 entsprechen, lassen erkennen, daß bei einer durch zeitlich veränderte Sauerstoffzufuhr
konstant gehaltenen Reaktionstemperatur im Spaltraum viel größere Schwanhungen in
der Gastemperatur beim Eintritt des Rohgases in den Spaltraum zulässig sind als
bei zeitlich konstanter Sauerstoffzufuhr. Das bedeutet aber, daß die Regeneratoren
wesentlich verkleinert oder aber bei unveränderter Größe viel höher belastet werden
können.