NO307331B1

NO307331B1 - Apparat for termisk omdannelse av metan til hydrokarboner med høyere molekylvekt

Info

Publication number: NO307331B1
Application number: NO924009A
Authority: NO
Inventors: Jerome Weill; Laure Capogna; Veronique Arrondel; Jean-Jack Boumendil
Original assignee: Inst Francais Du Petrole; Lectricite De France; Gaz De France
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 2000-03-20
Also published as: GR3019452T3; DK0539270T3; FR2682676A1; NO924009L; US5365005A; DE69207707T2; CA2080735A1; ATE133154T1; NO924009D0; DE69207707D1; ES2084962T3; EP0539270B1; FR2682676B1; EP0539270A1; US5496524A

Description

Foreliggende oppfinnelsen vedrører apparat for termisk omdannelse av metan til hydrokarboner med høyere molekylvekt.

Enhver metankilde som er kjent av fagfolk kan anvendes i apparatet. Naturgass kan nevnes som en i høy grad alminnelig kilde for metan. En ikke-uttømmende liste over disse kilder angis f.eks. av denne søknads søkere i EP-A 323 287. I de fleste tilfeller inneholder den metanholdige gass som føres inn i reaktoren fra 1 til 90% og av og til mer av minst én annen gass.

I EP-A 323 287 beskriver søkerne en fremgangsmåte for termisk omdannelse av metan til hydrokarboner med høyere molekylvekt, omfattende elektriske oppvarmingsanordninger med en overføring av varme til den gassformige blanding som inneholder metanet som skal omdannes, gjennom tette vegger i mantler av keramisk materiale som isolerer varmeinnretningene fra den gassformige blanding som inneholder metanet. Ved denne fremgangsmåte oppvarmes varme-sonen ved tilførsel av elektrisk energi ved hjelp av elektriske motstander, og varmen som frigjøres av Joule'ske effekter i disse motstander overføres i hovedsak ved stråling til kappene eller mantlene av keramisk materiale som er anbrakt rundt motstander på en ikke-tilstøtende måte. De gassformige satser som sirkulerer i hovedsak i rette vinkler på aksene av de oppvarmede mantler, oppvarmes i hovedsak ved konveksjon og ved stråling. Ved gjennomføring av denne fremgangsmåte defineres to områder i reaktoren: På den ene side, reaksjonsområdet eller prosessområdet utenfor mantler som beskytter motstandene, og hvor den gassformige blanding som

inneholder metan sirkulerer;

på den andre side, motstandsområdet som utgjøres av volumet som befinner seg mellom de aktuelle motstander og de isolerende mantler, hvor det føres inn en inert gass, dvs. en gass som ikke inneholder noe metan eller noen hydrokarboner som er i stand til gjennomgå en termisk omdannelsesreaksjon eller noen forbindelse som er i stand til å reagere kraftig med metan eller hydrogen, idet denne gass velges på en slik måte at den ikke ødelegger motstandene som anvendes og ikke forårsaker akselerert aldring av motstandene.

Ett av de største problemer ved gjennomføring av termisk omdannelse av metan har forbindelse med koksdannelse. Dersom koks dannes i for store mengder, er det sannsynlig at dette fører til ødeleggelse av ovnen før avkoksingsprosedyrer kan gjennomføres, og videre representerer dannelsen av koks fra et økonomisk synspunkt et betydelig tap både når det gjelder den elektriske energi som forbrukes og det metan som forbrukes ved dannelse av koksen. Dette problem, som er velkjent for fagmannen, løses delvis ved innføring i den gassformige blanding som inneholder metanet som skal omdannes av en mengde hydrogen som representerer fra 1 til 90 volum% i forhold til gassens totale volum. Til tross for denne forholdsregel er koksdannelse ikke blitt fullstendig unngått, i hovedsak på mantel-veggene og på de ytre overflater som har forhøyet temperatur og som er i kontakt med den gassformige blanding som inneholder metanet.

Dette forklarer hvorfor det ved gjennomføring av metanomdannelses-prosessen i en elektrisk oppvarmet pyrolysesovn er ønskelig

å ha en relativt stor mengde hydrogen til stede i prosess-sonen,

å tilveiebringe elektriske motstander som ved høye temperaturer er i stand til

å levere en betydelig mengde energi pr. enhet overflateareal og pr. tidsenhet, å ha betingelser som fører til tilfredsstillende varmeoverføring, slik at varme-elementenes temperatur (dvs. temperaturen på overflaten av mantlene i kontakt med den gassformige blanding som inneholder metan) ikke er så mye høyere enn den temperatur som er ønsket for gjennomføring av metan-omdannelsen.

Ved gjennomføring av fremgangsmåten er det blitt stipulert at det er å foretrekke at motstandsområdet fylles med et gassformig medium, så som nitrogen, karbonsyregass eller luft. Anvendelsen av luft er bare tenkelig dersom tetteevnen som tilveiebringes av mantlene mellom prosessområdet og motstandsområdet er perfekt. Ellers ville det være en betydelig risiko for dannelse av en gassformig blanding ved en svært høy temperatur, omfattende oksygen, metan og hydrogen, en blanding som medfører eksplosjonsfare. Det å sørge for et fullstendig tett system er relativt vanskelig og krever dessuten anvendelse av keramisk materiale som tilveiebringer en svært høy grad av forseglende tetthet, og som derfor er av svært høy kvalitet; dvs. et keramisk materiale som har en densitet som er tett ved den teoretiske densitet og som er fritt for åpne porer.

Det å anvende et slikt keramisk materiale er ekstremt kostbart, noe som fordyrer prosessen. Dersom en er nødt til å akseptere anvendelse av mantler med en forseglingstetthet som ikke er perfekt, og å anvende enten nitrogen i forbindelse med den ikke ubetydelige risiko, når motstandens overflatetemperatur tas i betraktning, for dannelse (i tilfelle av silisiumkarbid-motstander) av silisiumnitrid, som i prinsippet ikke har noen virkning på motstandenes mekaniske styrke, men som forårsaker en fluktuasjon i motstanden i disse motstander, og derfor akselererer aldringen av motstandene, i større grad desto høyere motstandens temperatur (og derfor varmeelementets temperatur) er og desto større mengden av energi som tilveiebringes av motstanden er, eller det kan anvendes karbondioksyd-eller karbonsyre-gass som, selv om graden av lekkasje fra motstandsområdet og inn i prosessområdet er minimal, uvergerlig vil forårsake problemer i trinnet som omfatter separasjon av produktene som er dannet under forløpet av den termiske omdannelse av metanet, noe som kompliserer dette trinn på den ene side ved at de er til stede og på den andre side ved nærvær av karbonmonoksyd og vann som uvergerlig dannes ved reaksjon mellom karbondioksyd, metan, koks og hydrogen i prosessområdet.

Ett av foreliggende oppfinnelses formål er å avhjelpe de foran angitte ulemper ved hjelp av apparatet ifølge oppfinnelsen. Formålene som avhjelper problemene som er oppstått i tidligere kjent teknikk, er i hovedsak følgende: minimering av koksdannelse, spesielt på varme overflater, så som f.eks.

veggene av mantlene som omslutter motstandene,

anvendelse av mantler som ikke har den fordel at de har et høyt nivå av

forseglingstetthet,

forbedring av varmevekslingen mellom den gassformige blanding som

inneholder metanet og de varme overflater i kontakt med denne blanding, minimering av problemene med fordeling av gassene inne i reaktoren, forbedring av apparatets holdbarhet og apparatets enkle konstruksjon og demontering for fjerning av koks og vedlikehold av reaktoren.

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat for gjennomføring av fremgangsmåten, idet det tilveiebringes betydelige forbedringer sammenlignet med konstruk- sjoner ifølge tidligere kjent teknikk, så som f.eks. lettere, mer fleksibel og bedre kontrollerbar ytelse og lavere kostnader, både når det gjelder investeringer og også når det gjelder anvendelse.

Foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig apparat for termisk omdannelse av metan til hydrokarboner med høyere molekylvekt omfattende en reaktor (1) med langstrakt form i forhold til en akse med fortrinnsvis kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt, omfattende ved en første ende anordninger for tilførsel av en gassformig blanding og ved den motsatte ende anordninger for utførsel av det produserte avløp og, mellom disse to ender, anordninger for tilførsel av et kjølemedium, kjennetegnet ved at reaktoren i en første del, på samme side som den første ende, omfatter minst én langsgående sone (20) mellom to vegger av varmemotstandsdyktig materiale som i hovedsak er parallelle med hverandre og i hovedsak parallelle med reaktorens akse, idet den langsgående sone omfatter flere elementer, anbrakt i minst to lag som i hovedsak er parallelle med hverandre og i hovedsak loddrette på reaktorens akse, hvor minst ett av disse lag omfatter en serie av mantler (4), hvor det inne i disse er elektriske oppvarmingsanordninger (3), og som således danner et lag av oppvarmingselementer, hvor elementene er anbrakt på en slik måte at det mellom dem og/eller mellom lagene som de danner og/eller mellom dem og veggene defineres områder eller passasjer for sirkulasjon av de gassformige blandinger og/eller avløp, og hvor oppvarmingsanordningene og mantlene er tilpasset for å varme opp passasjene i suksessive uavhengige tversgående seksjoner som befinner seg i i hovedsak rette vinkler til reaktorens akse, idet hver tverrseksjon omfatter minst én tversgående rekke av elementer, mens reaktoren i tillegg omfatter innretninger for automatisk kontroll og modulasjon av oppvarmingen, og som er forbundet med oppvarmingsinnretningene, og omfattende i en andre del (8) (den motsatte endedel), tilgrensende til den første del, anordninger (9) for kjøling av avløpet og forbundet med tilførselsinnretninger for kjølemediet.

Oppvarmingssonen varmes opp ved tilførsel av elektrisk energi ved hjelp av oppvarmingsinnretninger, så som elektriske motstander; varmen som avgis ved Joule's effekt i disse motstander overføres i hovedsak ved stråling til mantlene som er anbrakt rundt motstandene slik at de ikke ligger mot hverandre. Disse mantler er vanligvis av keramisk materiale som kan motstå de temperaturer som kreves og de reduserende og oksyderende atmosfærer i mediet, så som f.eks. visse nye metall- legeringer fra Kanthal SA, så som Kanthal AF eller Kanthal APM, eller også en varmemotstandsdyktig sement. Disse mantler kan være porøse eller ikke-porøse. Det er ofte lettere og mindre kostbart å anvende porøse mantler, hvor en gass-blanding kan gå gjennom fra motstandsområdet til prosessområdet. Den gassformige blanding som inneholder metan som sirkuleres i oppvarmingssonen i en retning som i hovedsak er loddrett på mantlenes akser, oppvarmes i hovedsak ved konveksjon og stråling.

Den dehydrogenerende termiske kobling av metan er en i høy grad endoterm reaksjon, noe som betyr at en ganske betydelig varmestrømsdensitet må oppnås ved et høyt temperaturnivå på rundt 1100 til 1500°C. Det er nødvendig at maksimal varmetilførsel gjennomføres i den sone hvor de endoterme krakkings- og dehydrogenerings-reaksjoner gjennomføres; dessuten er det nødvendig, når en tar hensyn til reaktiviteten av de dannede produkter, så som acetylen eller etylen, å ha en relativt kort og kontrollert kontakttid fulgt av svært hurtig kjøling for å oppnå en temperaturprofil av "firkantet" type og for å unngå overdreven koksdannelse.

Varmevekslere er én av nøkkelelementene for denne type sterkt endorme reaksjon, hvor det er nødvendig å overføre betydelige mengder energi fra motstandene til den gassformige blanding som inneholder metan, og som i det følgende er angitt som prosessgassen. Under et forutgående studium gjennomført av søkerne med henblikk på varmevekslere i en pyrolyseovn, konstruert i henhold til modellen som er anvendt for foreliggende oppfinnelse, ble det bemerket at utvekslingen av varme fra motstanden til mantelen er en i hovedsak strålingsmessig utveksling, men på den andre side er det i virkeligheten ingen strålingsutveksling mellom mantelen og prosessgassen. Sistnevnte består normalt i hovedsak av en blanding av hydrogen og metan; en blanding som praktisk talt ikke absorberer noe eller svært lite stråling som utsendes av mantlene. Varmeoverføringen mellom prosessgassen og mantlene er derfor i foreliggende tilfelle i denne oppfinnelse i hovedsak en overføring ved konveksjon. I et slikt tilfelle vil varmevekslernes kvalitet stå i direkte sammenheng med overflatearealet som er tilgjengelig for utveksling og med forholdet mellom overflateareale og volum.

Dersom således overflateareale for varmeveksling er relativt lite, vil det for oppnåelse av en gitt prosessgass-temperatur som tilsvarer et på forhånd valgt omdannelsesnivå, være nødvendig å øke mantlenes temperatur i en grad som vil være større når overflatearealet blir mindre, noe som innebærer en øket risiko for koksdannelse, og det er nødvendig å forhøye temperaturen i motstandene, noe som forårsaker en hurtigere aldring av disse motstander; eller dersom den på forhånd valgte omdannelsesgrad er svært høy, vil mengden av energi som skal overføres bli svært stor, og risikoen for at motstandene ødelegges er blitt betydelig større.

Veggene spiller en viktig rolle i varmeveksling ettersom de er i stand til å absorbere strålene som sendes ut av mantlene, og derfor har mantlenes og veggenes temperatur en tendens til å være i likevekt. Det er da mulig i betydelig grad å øke overflatearealet som er tilgjengelig for veksling ved å modifisere innretningens konstruksjon som følger: Mens mantlene som beskytter motstandene og muliggjør overføring av varme til prosessen i det opprinnelige konsept fortrinnsvis var anordnet i kvadrathjørner med en femte varmeveksler i midten, vil de ifølge foreliggende oppfinnelse oftere stå i rekke enn i en annen anordning, noe som gjør det mulig å anordne n rekker eller lag av m motstander i langsgående retning (for et totalt antall motstander lik n x m), og i en foretrukket utførelse vil det være mulig å assosiere et visst antall av fortrinnsvis ensrettede pseudo-varmeelementer som gjør det mulig å anordne z rekker eller lag av y pseudo-varmeelementer (for et totalt antall pseudo-varmeelementer lik z x y), noe som betyr at minst én langsgående sone og som oftest minst to langsgående soner vil dannes, hver omfattende minst to lag av elementer, hvor minst ett omfatter oppvarmingselementer, idet hver sone er adskilt fra den neste av en vegg av varmemotstandsdyktig materiale. Temperaturen i disse vegger øker ved stråling og har en tendens til å nå det samme nivå som temperaturen i mantlene som omslutter motstandene. Disse vegger vil derfor likeledes delta ved oppvarmingen av prosessgassen ved konveksjon og det samme vil være tilfelle for pseudo-varmeelementene dersom disse er anbrakt. I denne utførelse hvor varmevekslingsarealet således er betydelig øket, vil det være mulig å oppnå den samme prosessgass-temperatur med en relativt lavere mantel- og veggtemperatur, noe som derfor fører til en reduksjon i koksdannelse. I foreliggende beskrivelse angir betegnelsen varmeelement konstruksjonen som utgjøres av en beskyttende mantel og minst én motstand inne i denne mantel, og betegnelsen pseudo-varmeelement angir et element av et varmemotstandsdyktig materiale som vanligvis har samme høyde som varmeelementet, og hvor tverrsnittet vanligvis har samme form og samme overflateareale som varmeelementene eller en lignende form eller en avledet form og et forskjellig overflateareale. Dersom f.eks. varmeelementene har et rundt tverrsnitt, kan pseudo-varmeelementene ha et tverrsnitt som er rundt, halvsirkelformet eller som tilsvarer en fjerdedels sirkel.

I denne utførelse er konvektiv veksling mellom prosessgassen og veggene i høy grad forbedret og kan enda forbedres ytterligere ved å gi gassen betydelige hastigheter og ved å skape soner med turbulens. Økning av gassens hastighet kan f.eks. oppnås ved å anvende vegger hvis form er fordelaktig for denne hastighets-økning og for dannelse av turbulente soner. Vegger med spesiell form er vist i fig. 1A. Veggene og pseudo-varmeelementene er vanligvis av et varmemotstandsdyktig materiale. Ethvert varmemotstandsdyktig materiale kan anvendes for fremstilling av veggene og disse pseudo-elementer, og som ikke-begrensende eksempel kan zirkoniumoksyd, silisiumkarbid, mullitt og forskjellige varmemotstandsdyktige sementer angis. I en foretrukket utførelse vil varmeelementene omfatte en mantel av et keramisk materiale.

Med henblikk på det faktum at det ikke på noen måte er nødvendig å ha en tett forsegling når det gjelder veggene, ettersom sammensetningen av gassen faktisk er identisk på hver side av veggene, krever denne utførelse en minimal økning i kostnadene for ovnen. Det er til og med på den ene side ikke nødvendig å ha spesielt tykke vegger og heller ikke behøver veggenes konstruksjon å være spesielt kompleks, men på den annen side øker den samlede dimensjon på ovnen svært mye ettersom i hovedsak bredden av ovnen er avhengig av mantlenes bredde. For eksempel kan mantlene ha en bredde på ca. 150 mm for en vegg-tykkelse på ca. 50 mm, noe som bare betyr en økning i ovnens bredde på mindre enn ca. 30%. Videre er det å foretrekke at hver vegg omfatter minst én innretning for utjevning av trykket i de langstrakte soner på hver side av veggen. Som et eksempel på en enkel, men effektiv innretning som gjør det mulig å balansere trykkene, kan det nevnes dannelse av soner som omfatter én eller flere perforasjoner eller porøse soner.

En ytterligere fordel med denne utførelse som omfatter vegger, er at den tillater enklere konstruksjon av ovnen, idet de vertikale vegger ikke bare forbedrer overføringen av varme ved konveksjon, men gjør det også mulig å understøtte ovnens tak. Det skal bemerkes at ifølge den foretrukne utførelse av oppfinnelsen forbedrer likeledes pseudo-varmeelementene overføring av varme og deltar likeledes i støtting av ovnstaket.

De elektriske motstander som leverer varme til oppvarmingssonen blir på uavhengig vis tilført elektrisk energi, enten individuelt eller i tverrsgående rekker eller til og med i små grupper, for å definere oppvarmingsseksjoner langs oppvarmingssonen, og slik at man således er i stand til å modulere mengden av energi som tilveiebringes gjennom denne sones lengde. Oppvarmingssonen består normalt av 2-20 oppvarmingsseksjoner og fortrinnsvis 5-12 seksjoner. I den første del av denne sone forhøyes temperaturn i den gassformige blanding som inneholder metan og som på forhånd er oppvarmet til ca. 750°C, vanligvis til en temperatur som er lik ca. 1500°C og med fordel mellom 1000 og 1300°C (begynnelsen av oppvarmingssonen er lokalisert på det sted hvor satsen føres inn).

Disse oppvarmingsseksjoner er modulert på konvensjonell måte; oppvarmingselementene som tilhører de forannevnte seksjoner forsynes generelt ved hjelp av modulatoraggregater med tyristorer. Transformatorene gjør det om nødvendig mulig å tilpasse spenningene på forhånd, mens modulatorene tillater finjustering og kontinuerlig justering av den tilførte effekt.

For å muliggjøre regulering av aggregatene, kan hver oppvarmingsseksjon utstyres med et innsatt pyrometer med et termoelement som er egnet for de temperaturnivåer som omfattes; disse pyrometre er anbrakt i områdene hvor satsen sirkuleres og verdiene overføres til kontrollanordningen som styrer tyristor-modulatoren.

I den første del av oppvarmingssonen tjener den elektriske energi nesten utelukkende til å forhøye reaksjonsblandingens temperatur fra den opprinnelige temperatur (f.eks. ca. 750°C) til den temperatur hvor de endoterme dehydrogenerende koblingsreaksjoner av metanet finner sted (f.eks. ca. 1200°C). Det er derfor i begynnelsen av den andre del av oppvarmingssonen nødvendig å tilføre maksimal energi til reaksjonsmiljøet, noe som lett kan oppnås f.eks. ved modulasjon av én eller flere oppvarmingsseksjoner og/eller ved å anvende moduler (beskrevet i det følgende) for fremstilling av ovnen omfattende et forskjellig antall av pseudo-elementer avhengig av hvorvidt de er anbrakt ved begynnelsen av den første del av oppvarmingssonen eller mot midten eller enden av denne sone, og på lignende måte i henhold til elementenes stilling i den andre del av oppvarmingssonen.

Lengden av den første del av oppvarmingssonen er normalt fra 20 til 80% av oppvarmingssonens totale lengde, med fordel fra 30 til 70%. Den elektriske energi som tilføres til den første oppvarmingssone er slik at den genererer en betydelig temperaturgradient, normalt fra ca. 0,5 til ca. 25°C/cm og med fordel ca. 1 til ca. 20°C/cm.

I den andre del av oppvarmingssonen moduleres den elektriske energi som tilføres de forskjellige oppvarmingsseksjoner i denne sone på en slik måte at svingningen i temperatur langs denne sone er ubetydelig, vanligvis mindre enn ca. 50°C (pluss/minus 25°C rundt den ønskede verdi) og med fordel mindre enn ca. 20°C. Videre muliggjør anvendelsen av forskjellige tversgående oppvarmingsseksjoner (f.eks. også anvendelse av forskjellige moduler som omfatter et større eller mindre antall pseudo-oppvarmingselementer) som er uavhengig av hverandre, ved nivået av den andre del av oppvarmingssonen, tilførsel av maksimal varme-energi på det sted hvor hoveddelen av de endoterme reaksjoner finner sted, under opprettholdelse av en praktisk talt ensartet temperatur i resten av oppvarmingssonen.

Lengden av oppvarmingssonen er vanligvis ca. 50 til ca. 90% av reaksjons-sonens totale lengde.

Spesielt ved de ovenfor beskrevne oppvarmingsbetingelser oppnås en betydelig varmestrøm ved et forhøyet temperaturnivå. Dette medfører normalt et spesielt valg av materialet som anvendes for motstandene og som i tillegg til å være motstandsdyktig mot atmosfæren hvor motstandene befinner seg under drifts-temperaturbetingelser, må være i stand til å levere en relativt betydelig ytelse pr. enhet av overflateareale. Som eksempel på et materiale som kan anvendes for fremstilling av motstander, kan det nevnes silisiumkarbid, bornitrid, silisiumnitrid og molybden-bisilicid (MoSi2). Vanligvis foretrekkes det å anvende molybden-bisilicid-motstander, som gir mange fordeler når de anvendes ved høy temperatur: De aksepterer en betydelig ladning (avgitt energi pr. overflatearealenhet) som

kan være så høy som 20 W/cm^;

de kan arbeide ved en svært høy temperatur;

de oppviser ubetydelig aldring over tid;

de motstår godt reduserende atmosfærer ved forhøyede temperaturer.

Ved anvendelse av apparatet ifølge oppfinnelsen er det mulig å gjennom-føre direkte bråkjøling; reaksjonsavløpet går ut av oppvarmingssonen og kjøles svært hurtig ned ved at det bringes i direkte kontakt med et kjølemedium som injiseres i avløpet ved hjelp av minst én injektor, normalt av et keramisk materiale, og og som er anbrakt på reaktorens omkrets. Som kjølemedium er det mulig å anvende gasser av flytendegjort petroleum, propan, hydrokarbonoljer eller vann. Propan er den foretrukne bråkjølingsgass, ettersom den også partielt kan krakkes og så bidra til dannelse av produkter så som etylen. Det totale avløp som oppstår fra blandingen samles så opp og separeres.

Reaksjonsavløpet som kommer ut fra oppvarmingssonen avkjøles ved at det bringes i indirekte kontakt med et kjølemedium, f.eks. ved at dette medium får sirkulere gjennom tette kanaler inne i kjølesonen. Det er følgelig mulig å oppnå en termisk omdannelse av metanet til produkter som acetylen-, etylen- og benzen-produkter, som oppnås med god omdannelsesgrad og betydelig selektivitet for disse produkter.

Hydrokarbonsatser som kan anvendes er gassformige satser ved normale temperatur- og trykkbetingelser, og de omfatter vanligvis en volum% av metan på minst 10%, f.eks. fra 10 til 99%, og oftere fra 20 til 99% og fortrinnsvis fra 30 til 80%. Som angitt i det foregående, omfatter resten av satsen i nesten alle tilfeller en volumandel av hydrogen som vanligvis strekker seg fra 1 til 90%. Den kan likeledes omfatte andre gasser, så som f.eks. alifatiske hydrokarboner, mettede eller umettede, omfattende et antall av atomer som er lik eller større enn 2, så som etylen, etan, proapn eller propylen. Den kan også inneholder nitrogen, karbondioksyd eller karbonmonoksyd.

Det er mulig å tilsette fortynnings-vanndamp til satser som er angitt i det foregående, idet vektforholdet mellom fortynnings-vanndamp og hydrokarbonsats generelt er ca. 0,1 : 1 til 1 : 1.

Satsene som skal behandles har en oppholdstid i reaksjonssonen som normalt er ca. 2 millisekunder til ca. 1 sekund og fortrinnsvis ca. 30 til ca. 400 millisekunder. Som tettingsgass, dvs. en gass som føres inn i motstandsområdet (dette området er det som ble definert i det foregående i sammenheng med analysen av EP-A-323 287), og det prefereres en gass som vil gjøre det mulig å oppnå lengst mulig holdbarhet for motstandene, og som på grunn av lekkasje av denne gass inn i prosessområdet medfører et minimum av komplikasjoner i forbindelse med selve reaksjonen (minimal koksdannelse) og også for separasjon av produktene medstrøms fra reaktoren, av og til angitt som en pyrolyseovn. Det er f.eks. mulig som tettingsgass å velge nitrogen, karbonsyregass, hydrogen eller en blanding av to eller flere av disse gasser. Det er likeledes mulig som tettingsgass å anvende én av gassene som er nevnt i det foregående og som inneholder vanndamp. Vanligvis er det foretrukket å føre en gass som inneholder hydrogen inn i mantlene som omslutter motstandene. Denne gass kan være i hovedsak rent hydrogen, industrielt hydrogen eller en blanding av hydrogen med en annen inert gass, så som f.eks. nitrogen, helium, argon, vanndamp eller karbonsyregass. Fortrinnsvis anvendes rent eller industrielt hydrogen eller en blanding av helium og hydrogen eller en blanding av argon og hydrogen eller en blanding av vanndamp og hydrogen som vanligvis inneholder minst 5 volum% og fortrinnsvis minst 10 volum% hydrogen. Dersom det anvendes en blanding av nitrogen og hydrogen, inneholder denne blanding minst 25 volum% og fortrinnsvis minst 50 volum% hydrogen.

De elektriske oppvarmingsanordninger er isolerte fra direkte kontakt med den gassformige blanding som inneholder metan ved hjelp av mantler i hvilke en gass som inneholder hydrogen føres inn, idet disse mantler er av egnet permeabilitet, og gassen som føres inn i det indre av mantlene står under et slikt trykk at det i det minste ved visse punkter finner sted en diffusjon av minst en del av hydrogenet som befinner seg i gassen som føres inn i motstandsområdet mot prosessområdet, dvs. fra det indre av mantlene til yttersiden av mantlene, idet dette hydrogen eventuelt så fortynnes i den gassformige blanding som inneholder metanet.

Permeabiliteten av mantlene er slik at den tillater diffusjon av alle de gassformige forbindelser som inneholdes i gass som føres inn i motstandsområdet mot prosessområdet. Denne permeabilitet kan resultere fra en tetting på hver mantel, med hensikt tilveiebrakt på ufullstendig måte, og/eller anvendelse av et materiale for mantlene som har en åpen porøsitet og som tillater at hydrogenet passerer gjennom; det vil med andre ord si et materiale som er permeabelt for hydrogen. Det anbefales fortrinnsvis å anvende et permeabelt materiale.

Mantlene som isolerer de elektriske oppvarmingsinnretninger fra direkte kontakt med den gassformige blanding som inneholder metanet er ofte fremstilt av et porøst materiale med tilstrekkelig porøsitet til å tillate at hydrogen diffunderer gjennom mantlene. Disse mantler er således fortrinnsvis laget av et porøst, keramisk materiale som har en åpen porøsitet på minst ca. 1 volum% og på det meste ca. 40 volum% i forhold til veggvolumet i mantlene og vanligvis ca. 5 volum% til ca. 30 volum%.

Anvendelsen av i hovedsak rent hydrogen som diffunderer i det minste delvis mot prosessområdet har flere fordeler. Den kompliserer ikke separasjonene nedstrøms fra pyrolyseovnen ettersom gassen som skal krakkes normalt er en blanding av metan eller naturgass og hydrogen i et volumforhold som fortrinnsvis er 10 - 80% hydrogen, og som oftest 30 - 70%.

Innføring av hydrogen langs pyrolyseovnen gjør det mulig å redusere ovnens samlede størrelse. Dersom en viss andel av hydrogen i den krakkede gass er tilsiktet, så vil andelen ved inngangen til ovnen reduseres og for én og samme oppholdstid som skal holdes, vil reaksjonsvolumet være mindre og derfor vil ovnens størrelse også være redusert. Videre vil denne utførelse imidlertid resultere i en øket andel av hydrogen gjennom pyrolyseovnen, noe som representerer en fordel fra det kinetiske synspunkt for krakking, og for stabiliteten av produktene ettersom en for stor mengde hydrogen i begynnelsen av ovnen i for stor grad vil inhibere krakking-reaksjonene, men ved slutten av ovnen, når det forekommer en betydelig mengde av dannede produkter, spesielt etylen og acetylen, er det fordelaktig å ha en større mengde hydrogen for å unngå koksdannelse. Den ønskede virkning vil bli oppnådd dersom hydrogen trenger inn i prosess-sonen ved nivået for hver tetting (minst én pr. mantel) på hver mantel som beskytter motstandene og/eller gjennom mantlenes vegg ved diffusjon.

Det er ikke nødvendig å finne de mest perfekte tettinger mellom prosessområdet og motstandsområdet, idet produksjonskostnadene for ovnen reduseres ved at de termomekaniske belastninger likeledes reduseres ved mantelflensene, noe som forbedrer hele apparatets holdbarhet. En annen fordel utgjøres av det valg som det er mulig å gjøre med hensyn til mantlene som beskytter motstandene og som avdeler prosessområdet fra motstandsområdet. Dersom det anvendes nitrogen eller CO2i tettingsgassen, er det av mange grunner nødvendig å begrense forbruket av denne gass, dvs. lekkasjen av denne gass fra motstandsområdet og inn i prosessområdet. Dette oppnås normalt ved at det forsøkes oppnådd en så perfekt forseglingstetthet som mulig, spesielt på det punkt hvor mantlene er sammenføyet med resten av ovnen. Dette kan også oppnås ved å anvende keramiske mantler, spesielt mantler av silisiumkarbid som er så forseglingstette som mulig, dvs. mantler av svært god kvalitet og derfor svært kostbare.

Det er velkjent blant fagfolk at det finnes mange forskjellige typer keramiske materialer og spesielt silisiumkarbid som stammer fra svært mange forskjellige kvaliteter av pulverbestanddeler og med forskjellige sintringsbetingelser. Uten ønske om å gå i detaljer kan det imidlertid bemerkes at ett av kvalitetskriteriene står i forbindelse med den minst mulige porøsitet som forblir etter sintring. Det er velkjent at dersom en del av denne porøsitet er funnet å være lukket, dvs. at den ikke har noen virkning på hele materialets forseglingstetthet, har en annen og ikke ubetydelig del, fremfor alt det mest vanlige silisiumkarbid, en åpen porøsitet, og spesielt ved høy temperatur finner det der sted en diffusjon gjennom dette materiale. Det vil derfor lett forstås at dersom en gass, så som nitrogen eller CO2, anvendes som tettingsgass, må det anvendes en svært høy kvalitet av silisiumkarbid som har en densitet nær teoretisk densitet, med andre ord som er fri for åpne porer, for å unngå for det første en lekkasje av denne gass fra motstandssonen og inn i den porøse sone og for det andre, ettersom partialtrykk-differensialet for hydrogen er positivt når det gjelder prosessmotstanden, en diffusjon av hydrogen som inneholdes i prosessgassen mot motstandsområdet.

Anvendelsen av mantler fremstilt av keramisk materiale, spesielt silisiumkarbid av gjennomsnittlig kvalitet, og omfattende åpne porer som utgjør minst ca. 1 volum% (f.eks. ca. 20 volum%) er således ikke bare mulig, men også ønskelig, noe som reduserer produksjonskostnadene for ovnen. Videre skaper nærværet av denne åpne porøsitet et partial-hydrogentrykk på overflaten av den keramiske mantel, på prosessområdesiden, som til en viss grad isolerer den keramiske overflate fra prosessgassen, og uten å ønske å være bundet til noen teori, forklarer dette den betydelig reduksjon i koksdannelse ettersom koksen normalt dannes i hovedsak på mantlenes overflate, og produktene som dannes er i motsetning til dette i en lokal atmosfære som er rikere på hydrogen og som derfor i mindre grad favoriserer koksdannelse.

Betegnelsen "åpen porøsitet" i beskrivelsen av foreliggende oppfinnelse står i forbindelse med den porøsitet som utgjøres av mikrohulrom i de aktuelle faste keramikkdeler, idet adjektivet "åpen" angir at det er frihet for passasje på den ene side mellom hoveddelen av disse mikrohulrom og på den andre side mellom disse mikrohulrom og de indre og ytre overflater av aktuelle de deler. Ideen om fri passasje må også betraktes som en funksjon av omgivelsenes natur og av de fysikalske betingelser hvor keramikken befinner seg. Spesielt for molekyler av liten størrelse, så som hydrogen eller helium, vil fri passasje være lett, ettersom det er en forskjell i trykk mellom de to overflater av den keramiske del. I dette tilfelle angis delen å være permeabel for f.eks. hydrogen, eller den er ikke fluidtett. I foreliggende oppfinnelses beskrivelse angir betegnelsen "lukket porøsitet" porøsiteten som består av mikrohulrom som ikke står i forbindelse med delens overflate. I dette tilfelle resulterer denne lukkede porøsitet bare i samlet minsking i delens densitet.

Ovennevnte apparat omfatter kan likeledes anvendes for gjennomføring av andre endoterme reaksjoner som normalt finner sted ved temperaturer over ca. 600°C og f.eks. ca. 700°C til ca. 1450°C, med oppholdstider på 2 millisekunder og opptil noen få sekunder, f.eks. opptil 20 sekunder.

Som angitt omfatter apparatet en reaktor 1 med langstrakt form i forhold til en akse med fortrinnsvis kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt, omfattende ved en første ende anordninger for tilførsel av en gassformig blanding og ved den motsatte ende anordninger for utførsel av det produserte avløp og, mellom disse to ender, anordninger for tilførsel av et kjølemedium. Reaktoren er kjennetegnet ved at den i en første del, på samme side som den første ende, omfatter minst én langsgående sone mellom to vegger av varmemotstandsdyktig materiale som i hovedsak er parallelle med hverandre og i hovedsak parallelle med reaktorens akse, idet den langsgående sone omfatter flere elementer, anbrakt i minst to lag som i hovedsak er parallelle med hverandre og i hovedsak loddrette på reaktorens akse, hvor minst ett av disse lag omfatter en serie av mantler 4, idet det inne i disse er elektriske oppvarmingsanordninger 3, som således danner et lag av oppvarmingselementer, hvor elementene er anbrakt på en slik måte at det mellom dem og/eller mellom lagene som de danner og/eller mellom dem og veggene defineres områder eller passasjer for sirkulasjon av de gassformige blandinger og/eller avløp, og hvor oppvarmingsanordningene og mantlene er tilpasset for å varme opp passasjene i suksessive uavhengige tversoverrettede seksjoner som befinner seg i hovedsakelig rette vinkler til reaktorens akse, idet hver tverrseksjon omfatter minst én tversgående rekke av elementer, mens reaktoren i tillegg omfatter innretninger for automatisk kontroll og modulasjon av oppvarmingen, og som er forbundet med oppvarmingsinnretningene, og omfattende i en andre del 8 (den motsatte endedel), tilgrensende til den første del, anordninger 9 for kjøling av avløpet og forbundet med tilførselsinnretninger for kjølemediet.

Ifølge en foretrukket utførelse vil apparatet omfatte innretninger for innføring, ved et egnet trykk, av en gass som inneholder hydrogen i det indre av mantlene 4, og mantlene vil være mantler med tilstrekkelig permeabilitet, slik at i det minste en del av hydrogenet i det minste på visse punkter kan diffundere fra det indre av mantlene til det ytre av mantlene, idet dette hydrogen da blir fortynnet i den gassformige blanding.

Innretningene for innføring av gassen på egnet måte er slike som er kjente av fagfolk. De kan videre omfatte innretninger for regulering og måling av de trykk som hersker inne i og på yttersiden av mantlene. Kjøleinnretningene er innretninger som er tilpasset for avkjøling av avløpet som forlater den første sone, ved direkte eller ved indirekte kontakt.

Mantlene som omslutter motstandene, vanligvis slik at de ikke berører hverandre, kan være anbrakt i en overliggende anordning eller være anordnet i hvert hjørne av et kvadrat med et femte element, og kan i tverrprojeksjon danne et knippe med trekantet, kvadratisk eller rektangulær form.

Det totale antall av lag som omfatter oppvarmingsanordninger og antall oppvarmingsanordninger i hver mantel og pr. lag er ikke avgjørende for prosessen. Naturligvis er de en funksjon av oppvarmingsinnretningenes dimensjoner, mantlene som omslutter dem og veggene som skiller de langsgående soner. Oppvarmingselementene kan være identiske med hverandre eller forskjellige, både når det gjelder dimensjoner og i oppvarmingseffekt. For eksempel kan et oppvarmingselement omfatte fra 1 til 5 og oftere fra 1 til 3 motstander inne i mantelen.

Antallet av oppvarmingselementer bestemmer den maksimale elektriske effekt som er tilgjengelig for et gitt reaksjonsvolum og på lignende måte har det virkning på satsens oppholdstid som velges som en funksjon av den tillatte strømningshastighet for satsen når det tas hensyn til disse parametre.

Det er mulig å konstruere hele reaktoren, oppvarmingssone og bråkjølings-sone, enten i form av en monoblokk eller ved sammensetning - tilgrensende eller på annen måte - av forskjellige moduler, som oftest av identisk form, og som settes sammen med hverandre ved hjelp av hvilke som helst egende anordninger, f.eks. ved hjelp av flenser. Reaktoren kan f.eks. omfatte minst to langstrakte soner dannet ved sammensetning i lengderetning og i tversgående retning av en serie moduler som hver omfatter minst én langsgående vegg av varmemotstandsdyktig materiale.

I en foretrukket utførelse omfatter hver vegg av varmemotstandsdyktig materiale som skiller to tilgrensende, langsgående soner minst én anordning som tillater utligning av trykk mellom de to soner. Dersom reaktoren dannes ved sammensetning av moduler, vil disse fortrinnsvis settes sammen på ikke-forseglingstett måte, slik at gasser er i stand til å passere fra én langsgående sone til den langsgående sone som befinner seg på den andre side av veggen, ved sammensetnings-punktet. Reaktoren omfatter normalt fra 1 til 20, og fortrinnsvis fra 2 til 8, langsgående soner. Én av fordelene ved å fremstille ovnen ved sammensetning av etter hverandre følgende moduler består i enheten som avledes av disse. Det er f.eks. mulig å sette et ovnstak-element og også en oppvarmings- og effekt-kontrollenhet sammen med hver modul, idet modulen da omfatteren oppvarmingsseksjon. Videre er nedbygging og vedlikehold av ovnen forenklet som et resultat av dette. I henhold til en annen utførelse kan flere moduler settes sammen for å danne en oppvarmingsseksjon. Det er likeledes mulig å installere de forskjellige moduler i ovnen som omfatter vegger som tidligere er satt på plass på kontinuerlig eller på annen måte. De elektriske oppvarmingsinnretninger som kan anvendes innenfor rammene av foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis oppvarmingsmotstander hvor materialet som de består av må være motstandsdyktig mot atmosfæren som de befinner seg i. I en foretrukket utførelse anvendes motstander som er fremstilt fra et materiale som vil motstå en samlet reduserende atmosfære opptil temperaturer i størrelsesorden 1500°C. Det er foretrukket å anvende motstander av molybden-bisilicid, f.eks. hårnål-formede motstander.

Elementene som befinner seg i hver av de langsgående soner er fortrinnsvis

i hovedsak sylindriske eller rørformede elementer som alle har omtrent samme ytre diameter og i hovedsak samme høyde, og hvor de elementer som omslutter oppvarmingsinnretningene og danner et lag av oppvarmingselementer er sylindriske eller rørformede mantler med en indre diameter D på ca. 1,2 til ca. 8 ganger, og oftere ca. 1,5 til ca. 4 ganger den maksimale diameter d av sirkelen som omslutter

oppvarmingsinnretningene, og de andre elementer er hule elementer, f.eks. sylindriske eller rørformede mantler, eller faste, sylindriske elementer.

Disse mantler av varmemotstandsdyktig materiale er som oftest laget av et keramisk materiale. Det er mulig å anvende keramikktyper så som mullitt, kordieritt, silisiumnitrid, silisiumkarbid, silisiumdioksyd eller aluminiumoksyd. Silisiumkarbid er det foretrukne materiale fordi det har god varmeledningsevne. De langsgående soner er adskilt av vegger fremstilt av et materiale som kan være det samme som det som er anvendt for fremstilling av mantlene, men det er som oftest forskjellig, spesielt på grunn av ovnens produksjonskostnader. I en foretrukket utførelse av reaktoren er hver langsgående sone dannet ved sammenstilling av en serie modulbestanddeler med kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt, hvor hver omfatter minst to elementer som danner en tverrsoverrettet rekke hvor minst ett er dannet av en mantel 4 som på innersiden har en elektrisk oppvarmingsanordning 3, og som utgjør et oppvarmingselement 19, idet disse elementer anbringes på en slik måte at det mellom dem og/eller mellom dem og veggene i sonen er definert områder eller passasjer for sirkulasjon av gassformige blandinger og/eller avløp, og disse moduler er sammenstilt på en slik måte at elementene mellom to vegger av motstandsdyktig materiale, som i hovedsak i seg selv er parallelle og i hovedsak parallelle med reaktorens akse, danner minst to lag som i hovedsak er parallelle i seg selv og i hovedsak parallelle med reaktorens akse.

Hver modulbestanddel kan omfatte minst to tversgående rekker av to eller tre oppvarmingselementer, som er anbrakt slik at sammenstillingen av disse moduler gjør det mulig å oppnå minst to lag av oppvarmingselementer, idet disse lag er loddrette på reaktorens akse og elementene danner et knippe i tverrprojeksjon med trekantet, kvadratisk eller rektangulær konfigurasjon.

I henhold til en annen utførelse kan hver modulbestanddel omfatte minst to tverrstilte rekker, hvor minst den ene utgjøres av oppvarmingselementer og hvor minst én annen rekke tilgrensende til en rekke av oppvarmingselementer er dannet av pseudo-oppvarmingselementer av et varmemotstandsdyktig materiale, idet disse elementer er anbrakt på en slik måte at sammenstillingsposisjonen av disse moduler gjør det mulig å oppnå minst to lag av elementer, idet lagene er loddrette på aksen av reaktoren og elementene danner i tverrsnittsprojeksjon et knippe med trekantet, kvadratisk eller rektangulær konfigurasjon. I henhold til denne sistnevnte utførelse kan hver modulbestanddel på periferien omfatte pseudo-oppvarmingselementer, idet disse pseudo-oppvarmingselementer har et tverrsnitt som er slik at ved sammenstilling av modulene vil de som er anbrakt på kanten hvor modulene er sammenstilt danne pseudo-elementer med i hovedsak samme tverrsnitt som oppvarmingselementene, idet de som grenser mot hverandre på én side har et tverrsnitt som er mindre enn tverrsnittet av oppvarmingselementene og fortrinnsvis et tverrsnitt som er likt eller ca. halvdelen av tverrsnittet av de nevnte oppvarmingselementer og lik ca. en fjerdedel i tilfelle av de som er tilgrensende på to sider av modulen.

Elementene er anbrakt i parallelle lag som i hovedsak er loddrette på strømningsretningen for prosessgassen, fortrinnsvis i hovedsak anordnet slik at avstanden som skiller to elementer som ligger ved siden av hverandre er så liten som mulig når en tar i betraktning de vitale faktorer av tillatt tap av sats; avstanden mellom elementene i to skikt som ligger ved siden av hverandre eller avstanden mellom elementene i ett skikt og den nærmeste vegg er normalt den samme som mellom to tilstøtende elementer i et gitt lag.

Denne avstand vil normalt være slik at passasjene som dannes mellom elementene eller mellom den nærmeste vegg, dvs. passasjene hvor den gassformige blanding som inneholder metan sirkuleres, vil måle ca. 1 til ca. 100 mm og som oftest ca. 5 til ca. 40 mm.

Ifølge en spesiell utførelse av oppfinnelsen er de fri områder eller passasjer definert i det foregående og som er ment for sirkulasjon av prosessgass, minst delvis fylt med pakningsmaterialer, vanligvis av keramisk materiale som fortrinnsvis er varmeledende. For en gitt type reaktor er det således mulig å redusere oppholds-tiden for satsen i denne reaktor under homogenisering av strømmen av gassformig blanding og tilveiebringelse av bedre fordeling av den utsendte varme. Disse fyll-materialer kan ha forskjellige former, og kan f.eks. være i form av ringer (Raschig-ringer, Lessing-ringer eller Pall-ringer), salformede (Berl-sadler), stavformede, lukkede sylindriske rør. Oppfinnelsen vil forstås tydeligere utfra beskrivelsen av noen utførelser som utelukkende er gitt som illustrasjon og som ikke er ment å være begrensende, idet disse beskrivelser vil bli gitt i det følgende og med referanse til de vedlagte tegninger, hvor tilsvarende deler er betegnet med samme referanse-bokstaver og -nummer. På tegningene viser: Fig. 1A et lengdesnitt gjennom en reaktor gjennom et plan rettvinklet til elementenes akse. Når det gjelder fig. 1A, omfatter denne reaktor bare

oppvarmingselementer i oppvarmingssonen;

fig. 1B og 1C viser et lengdesnitt gjennom en reaktor gjennom elementenes

akse;

fig. 2 viser en detalj av oppvarmingssonen i et plan som er identisk med

planet i figurene 1B og 1C;

figurene 3A, 3B, 3C og 4A, 4B og 4C viser et lengdesnitt gjennom forskjellige moduler av ovnskonstruksjonen.

I henhold til én utførelse viser fig. 1A en i hovedsak horisontal reaktor 1 med langstrakt form og med rektangulært tverrsnitt, omfattende en fordeler 2 som gjør det mulig gjennom en inngangsåpning 5 å forsyne reaktoren med den gassformige blanding som skal reageres. Denne gassformige blanding som inneholder f.eks. 50% metan, er blitt forvarmet, fortrinnsvis ved konveksjon, i en konvensjonell forvarmingssone, som ikke er vist på tegningen. Reaktoren omfatter to langsgående soner 20 adskilt av en vegg 22, som ideelt er av et keramisk materiale, idet hver vegg har flere oppvarmingselementer 19, som omfatter elektriske oppvarmingselementer 3 innesluttet i mantler 4 anbrakt i parallelle lag, og som i ett plan (tegningens plan) danner et knippe med kvadratisk konfigurasjon. Disse lag definerer tverrliggende oppvarmingsseksjoner som i hovedsak er loddrette på reaktorens akse, definert i henhold til strømningsretningen for satsen. Denne vegg er formet på en slik måte at den tilveiebringer turbulens, og omfatter celler på hvert elements 19 nivå. Likeledes har reaktoren på sidene som er parallelle med satsens strømningsretning vegger med en form som er tilpasset til fremstilling av turbulens og omfattende celler på hvert elements 19 nivå. Oppvarmingsseksjonene forsynes uavhengig med elektrisk energi takket være et par elektroder (6a, 6b if figurene 1B og 1C), pyrometriske termoelement-sonder (7 i figurene 1B og 1C) er anbrakt i de åpne rom hvor satsen sirkulerer mellom elementene 19 og gjør det mulig automatisk å regulere temperaturen av hver oppvarmingsseksjon ved hjelp av en konvensjonell regulerings- og moduleringsinnretning som ikke er vist på tegningene.

I den første del av oppvarmingssonen oppvarmes elementene på en slik måte at satsens temperatur hurtig endrer seg fra 750°C (forvarmingstemperatur) til ca. 1200°C. Denne progressive oppvarmingssone representerer generelt ca. 65% av oppvarmingssonens totale lengde. Deretter sirkulerer den gassformige blanding i den andre del av oppvarmingssonen, hvor temperaturen generelt holdes på et konstant nivå som i hovedsak er likt nivået som er oppnådd ved slutten av den første oppvarmingssone, med andre ord ca. 1200°C. For dette formål moduleres den elektriske energi som tilføres til forskjellige oppvarmingsseksjoner som utgjør den andre del av oppvarmingssonen, idet det således er mulig å oppnå en variasjon i temperatur som ikke overskrider ca. 10°C rundt den ønskede verdi. Lengden av denne andre oppvarmingssone representerer ca. 35% av oppvarmingssonens totale lengde.

Ved utgangen av oppvarmingssonen avkjøles avløpet av reaksjonen i en avkjølingssone 8. Det kommer i kontakt med et bråkjølingsmiddel, så som propan, som føres inn gjennom bråkjølingsinjektorer 9 anbrakt på reaktorens 1 omkrets og som står i forbindelse med en utenforliggende kilde for propan, som ikke er vist. All avløpsgass avkjøles til en temperatur på ca. 500°C, og samles gjennom en utgangsåpning 10 ved slutten av reaksjonssonen 1.

Ifølge en annen utførelse som ikke er vist, kan avløpet avkjøles ved sirkulasjon gjennom tette kanaler som er anbrakt i sonen 8, og gjennom hvilke bråkjølingsmidlet strømmer, idet disse kanaler er forbundet med bråkjølingsmidlets eksterne kilde.

I fig. 1B vises de samme elementer for en horisontal reaktor som de som er beskrevet i forbindelse med fig. 1.1 tillegg er det vist en beskyttende kappe 11 som omfatter en åpning 12 gjennom hvilken gassen som inneholder hydrogen føres inn og en åpning 13 som er utstyrt med en ventil 24 som gjør det mulig å regulere strømmen av gass som inneholder hydrogen. Denne kappe 11 er festet på reaktorens 1 metallramme og omslutter oppvarmingselementene som utgjøres av sammensetningen av elektriske motstander og mantler som inneholder disse, med unntak av endene for de elektriske motstander gjennom hvilke den elektriske energi tilføres. Motstandene 3 av hårnålstype holdes på plass i mantlene 4 ved hjelp av pakninger 18 av f.eks. keramiske fibrer, som omfatter passasjer 23, hvor den hydrogen holdige gass kan komme inn i området mellom motstandene og mantlene.

I henhold til den anbefalte utførelse vil reaktoren omfatte en kappe 11 som er anbrakt på en slik måte at det defineres tversoverrettede soner hvor hver sone forsynes med en tettingsgass. Denne utførelse gjør det mulig å begrense virkningen av satstap i reaktoren på hastigheten for lekkasje av tettingsgass fra motstandsområdet og inn i prosessområdet og tillater derfor bedre kontroll med denne lekkasjehastighet. For en vertikal reaktor viser fig. 1C de samme elementer som de som er beskrevet i forbindelse med fig. 1A; tegningen viser imidlertid i tillegg de beskyttende kapper 11 som er utstyrt med åpninger 12 og 13 som tillater sirkulasjon i kappene av den hydrogenholdige gass som trenger inn i motstandsområdet gjennom åpningene 23 i pakningene 18, som hjelper til med å holde motstandene i stilling. Åpningene 13 er ustyrt med ventiler 24 som tillater lettere kontroll av strømmen av hydrogenførende gass. Sirkulasjonen av gassen som inneholder hydrogenet gjennomføres vanligvis med et lett overtrykk i forhold til prosessgassens trykk inne i reaktoren, noe som sikrer en perfekt kontrollert atmosfære og en bedre diffusjon inn i prosessområdet av hydrogenet som gassen inneholder.

Trykket kan være praktisk talt lik prosessgassens trykk, og i dette tilfelle, slik det er tilfelle for et generelt overtrykk, er det vanligvis foretrukket at hydrogenets partialtrykk er litt høyere i motstandsområdet enn i prosessområdet for å sikre at hydrogen diffunderer på korrekt måte fra motstandsområdet og inn i prosessområdet. Forskjellen i partialtrykkene for hydrogen vil som regel være slik at hydrogenets partialtrykk i gassen som befinner seg i motstandsområdet er minst 0,1% og fortrinnsvis minst 1% høyere enn for hydrogenet som befinner seg i prosessgassen. Forskjellen i absolutt trykk mellom motstandsområdet og prosessområdet, eller overtrykk, vil fortrinnsvis være slik at trykket i motstandsområdet er minst 0,1% og fortrinnsvis minst 1% høyere enn trykket i prosessområdet. Det er ikke nødvendig å ha svært høye overtrykk, og i de fleste tilfeller forblir trykket i motstandsområdet mindre enn det dobbelte av trykket i prosessområdet.

Fig. 2 viser en detalj av en utførelse av oppvarmingssonen i henhold til oppfinnelsen. Som elektriske oppvarmingsinnretninger anvendes motstander 3 med sylindrisk form. På hver av endene har disse motstander kalde soner, og en del av den sentrale sone som er den varme sone, representerer f.eks. 68% av den totale lengde.

Det fremstilles en reaktor med rektangulært tverrsnitt, hvor veggene består av isolerende varmemotstandsdyktig sement 14 og en metallisk ramme 15. Det lages et rundt hull i to motsatt liggende sidevegger, og gjennom hullene føres en mantel 4 av f.eks. keramisk materiale, idet mantelens diameter er det dobbelte av den elektriske motstands 3 diameter. Mantelen 4 holdes på plass ved hjelp av en trykkpakningsflens 16 som befinner seg i en utsparing i den metalliske ramme på en tråd av varmemotstandsdyktig materiale 17 som kan være en tråd av keramisk materiale. Motstanden 3 anbringes i mantelen 4 ved hjelp av pakninger 18 av keramiske fibrer, som f.eks. omfatter åpninger 23, som tillater passasje av gassen som inneholder hydrogen, og de føres inn i kappen 11 gjennom kanalen 12 og inn i motstandsområdet 24.

Motstandens 3 varme sone er anbrakt slik at den ikke trenger inn i gjennom-gangen som fører gjennom den isolerende betongvegg. Det er ikke avgjørende at det anvendes en tråd 17 på trykkflensnivået, ettersom formålet med denne innenfor oppfinnelsens ramme er å virke som posisjoneringsinnretning, idet hovedformålet er å sikre den mest perfekte forseglingstetthet som er mulig mellom reaktorens inner-side og ytterside. Videre kan denne trykkpakningsflens med fordel erstattes av en enklere innretning for å holde mantler i stilling, så som f.eks. enkle pakninger av varmemotstandsdyktig materiale.

Det er således et visst antall av oppvarmingsmotstander som er ommantlet i vegger, f.eks. i keramisk materiale, i suksessive horisontale rekker, idet disse rekker fortrinnsvis er anordnet på en slik måte på ovnens yttervegger at de danner et knippe med kvadratisk eller rektangulær konfigurasjon. En kappe 11 hvor bare endene av motstandene og/eller motstandenes elektriske tilførselsanordninger 6 stikker ut, gjennomstrømmes av en gass-strøm som inneholder hydrogen. Figurene 3A, 3B, 3C, 4A, 4B og 4C viser skjematisk et langsgående snitt gjennom seks typer moduler som kan anvendes ved konstruksjon av pyrolyseovnen i henhold til oppfinnelsen, idet tegningene viser et plan i rett vinkel til elementenes akse. Når det gjelder figurene 3A, 3B, 3C, omfatter disse moduler bare oppvarmingselementer 19. Når det gjelder figurene 4A, 4B og 4C, omfatter disse oppvarmingselementer 19 og pseudo-oppvarmingselementer 21. Hver modul vil som regel omfatte fra 2 til 30 og fortrinnsvis 5 til 15 av disse elementer. Hver modul omfatter normalt fra 1 til 30 og som oftest 5 til 11 oppvarmingselementer.

Modulen som er vist skjematisk i fig. 3A har tre tversgående rekker AA' med varmeelementer. Ved sammenstilling av moduler av denne type i en retning som er i rett vinkel til de tversgående rekker (dvs. parallelt med strømningsretningene for gassene) vil det være mulig å danne en langsgående sone som omfatter tre lag av oppvarmingselementer. Det er på lignende måte mulig å sette sammen moduler av denne type i henhold til to retninger loddrett på hverandre og å danne en langsgående sone som f.eks. omfatter seks lag av oppvarmingselementer dersom modulene er satt sammen to og to i rette vinkler til AA'. Modulen som er vist skjematisk i denne fig. 3A består av elementærenheter som hver omfatter en tversgående rekke av tre oppvarmingselementer. I horisontal projeksjon danner elementbestanddelene i denne modul et knippe med kvadratisk konfigurasjon.

Modulen som er vist skjematisk i fig. 3B omfatter fire tversgående rekker av oppvarmingselementer. Denne modul dannes av tversgående rekker AA' omfattende tre oppvarmingselementer adskilt fra hverandre av tversgående rekker BB' med to oppvarmingselementer. Elementene som er bestanddeler av denne modul danner i horisontal projeksjon et knippe med trekantet konfigurasjon. Modulen som er vist skjematisk i denne fig. 3B består av elementenheter som hver omfatter to tversgående rekker, én med tre oppvarmingselementer og den neste med to oppvarmingselementer. Denne modul omfatter videre en varmemotstandsdyktig vegg 22.

Modulen som er vist skjematisk i fig. 3C har fire tversgående rekker av oppvarmingselementer. Denne modul skiller seg bare fra den som er vist skjematisk i fig. 3B ved at skråavstanden mellom disse elementer er like avstanden mellom disse elementer i tversgående retning og at avstanden i sirkulasjonsretningen for gassene mellom elementene er større enn avstanden i tversgående retning.

Anvendelsen av moduler så som de som er vist skjematisk i fig. 3B og de som er vist skjematisk i fig. 3C og med en geometri som er kvadratisk med et element i hvert hjørne og et element i midten, idet elementene er anbrakt med en avstand p fra hverandre i strømningsretningen for gassene og på tvers og med en skråavstand (ifølge en akse som i hovedsak er 45°i forhold til aksen AA' for tversgående rekker) p/2 når det gjelder modulen vist skjematisk i fig. 3B og p når det gjelder den skjematiske fremstilling i fig. 3C, gjør det mulig å skape soner med konstant hastighet for gassene (modul i henhold til fig. 3B) og soner med variabel hastighet for gassene (modul i henhold til fig. 3C).

Modulen som er vist skjematisk i fig. 4A omfatter tre tversgående rekker AA' av oppvarmingselementer og tre tversgående rekker CC av pseudo-oppvarmings elementer. Ved sammenstilling av moduler av denne type i henhold til en retning med rette vinkler i forhold til de tversgående rekker (dvs. parallelt med gass-strømmens retning) er det mulig å danne en langsgående sone som omfatter lag FF' av oppvarmingselementer og lag EE' av pseudo-oppvarmingselementer. Modulen som er vist skjematisk i fig. 4A er dannet av elementærenheter som hver omfatter to tversgående rekker, én rekke med tre oppvarmingselementer og den følgende med to pseudo-oppvarmingselementer.

Modulen som er vist skjematisk i fig. 4B omfatter syv tversgående rekker av elementer: Tre tversgående rekker AA' av oppvarmingselementer, to tversgående rekker CC av pseudo-oppvarmingselementer og to tversgående rekker av DD' som omfatter oppvarmingselementer og pseudo-oppvarmingselementer. Ved sammensetning av moduler av denne type i henhold til en retning med rette vinkler i forhold til de tversgående rekker (dvs. parallelt med gass-strømmens retning) og i henhold til en retning parallell med disse tversgående rekker, er det mulig å danne en langsgående sone som omfatter lag FF' med oppvarmingselementer, lag EE' med pseudo-oppvarmingselementer og lag GG' omfattende oppvarmingselementer og pseudo-oppvarmingselementer. Denne modul omfatter i hovedsak sylindriske oppvarmingselementer, og pseudo-oppvarmingselementene som er anbrakt på modulens omkrets (på modulens side) er faste elementer som i henhold til elementenes stilling i hovedsak er i form av en halvsylinder eller i hovedsak i form av en kvartsylinder, slik at det ved sammenstilling av modulene dannes pseudo-elementer som i hovedsak er sylindriske og som har et tverrsnitt hvor arealet i hovedsak er lik tverrsnittsarealet av oppvarmingselementene, eller semisylindriske for de som ligger nær veggene i den langsgående sone.

Modulen som er vist skjematisk i fig. 4C er bare forskjellig fra den som er vist i 4B ved at den også omfatter en varmemotstandsdyktig vegg 22.

Sammensetning av moduler av forskjellige typer er mulig i full utstrekning. For eksempel når det gjelder valget av en geometri hvor elementene er sammensatt f.eks. i form av de fem øyne i en terning og danner en langsgående sone, er det mulig å sette sammen moduler så som de som er vist skjematisk i figurene 3B og 3C.

EKSEMPEL 1

Det anvendes en reaktor med indirekte hurtigkjøling og med en total lengde på 6,1 m og et rektangulært tverrsnitt på 1,4 x 2,89 m. Oppvarmingsanordningene for denne reaktor består av hårnålsformede elektriske motstander av Kanthal-type, av molybden-bisilicid (MoSi2) av Superkanthål-type. Disse motstander er omsluttet av keramiske mantler som er anbrakt konsentrisk i forhold til sentret i sirkelen som omgir motstandene.

Disse mantler er av silisiumkarbid fremstilt av Norton Company. De er av Kryston-type, og har en åpen porøsitet på 15 volum%. Mantlene er lukket i én ende og hver mantel omslutter to hårnålsmotstander (fig. 1B). Disse mantler er anbrakt i rette vinkler på sirkulasjonsretningen for satsen (vertikalt) i parallelle lag og i loddrett projeksjon danner de et knippe med kvadratisk konfigurasjon. Lengden av hver arm av den elektriske hårnålsmotstand er 1,4 m og diameteren er 9 mm. De keramiske mantler haren lengde på 1,4 m, den ytre diamterer 150 mm og den indre diameter er 130 mm; avstanden som skiller to mantler som ligger ved siden av hverandre er 10 mm.

Den første del av oppvarmingssonen, som har en lengde på 3,7 m, omfatter 18 lag av motstander, idet hvert lag omfatter 23 mantler. I denne sone forhøyes temperaturen i satsen, som er forvarmet til 800°C, til 1200°C. Denne sone er varmeregulert ved hjelp av termoelementer som er anbrakt i rommene der satsen sirkuleres.

Den andre del av oppvarmingssonen, som grenser til den første del, er 2,4 m lang; den består av 18 lag av 15 mantler anbrakt på samme måte som i oppvarmingssonens første del. Denne sone består av 5 oppvarmingsseksjoner som reguleres uavhengig, noe som gjør det mulig å holde temperaturen i denne sone på 1200°C, pluss eller minus 10°C.

Avløpsgassene avkjøles i et første trinn til 800°C ved indirekte varmeveksling med satsens gasser; andre varmevekslere gjør det mulig å senke temperaturen i gassene til ca. 300°C.

Som sats anvendes metan fortynnet med hydrogen i et volumforhold på 1 :1. Denne blanding forvarmes til 800°C og krakkes i den ovenfor beskrevne reaktor. Gassblandigens absolutte trykk i reaktoren holdes i hovedsak konstant og lik 0,125 MPa. I hovedsak rent hydrogen føres inn i motstandsområdet for å oppnå og å holde dette område på et absolutt trykk som i hovedsak er konstant og lik 0,130 MPa.

Etter avkjøling til omgivelsestemperatur oppnås for 200 mol av blanding av metan og hydrogen med likt volum de følgende mengder av hovedprodukter:

EKSEMPEL 2

Det anvendes en reaktor med indirekte hurtigkjøling og med en total lengde på 4,31 m og et rektangulært tverrsnitt på 1,4 x 2,94 m. Oppvarmingsanordningene for denne reaktor består av hårnålformede elektriske motstander av Kanthal-type, av molybden-bisilicid (MoSi2) av Superkanthal-type. Disse motstander er omsluttet av keramiske mantler som er anbrakt konsentrisk i forhold til sentret i sirkelen som omgir motstandene.

Disse mantler er av silisiumkarbid fremstilt av Norton Company. De er av Kryston-type, og har en åpen porøsitet på 15 volum%. Mantlene er lukket i én ende, og hver mantel omslutter to hårnålsmotstander (fig. 1B). Disse mantler er anbrakt i rette vinkler på sirkulasjonsretningen for satsen (vertikalt) i parallelle lag og i loddrett projeksjon danner de et knippe med kvadratisk konfigurasjon. Lengden av hver arm av den elektriske hårnålsmotstand er 1,4 m og diameteren er 9 m. De keramiske mantler har en lengde på 1,4 m. Den ytre diameter er 150 mm og den indre diameterer 130 mm; avstandene Eg og Et (fig. 1A) som skiller to mantler som ligger ved siden av hverandre er 10 mm. Reaktoren omfatter to langsgående soner som hver omfatter 6 lag av oppvarmingselementer adskilt av en vegg av elektrisk sammensmeltet aluminiumoksydbasert varmemotstandsdyktig sement. Avstanden Ee (fig. 1A) mellom mantlene og veggen eller passasjenes størrelse er 10 mm. Veggenes tynneste deler har en tykkelse Ep (fig. 1A) på 15 mm. Reaktoren omfatter således 18 lag med 27 oppvarmingselementer og 2 vegger.

Den første del av oppvarmingssonen, som haren lengde på 1,75 m, omfatter 18 lag av motstander, idet hvert lag omfatter 11 mantler. I denne sone forhøyes temperaturen i satsen, som er forvarmet til 1000°C, til 1200°C. Denne sone er varmeregulert ved hjelp av termoelementer som er anbrakt i rommene der satsen sirkuleres.

Den andre del av oppvarmingssonen, som grenser til den første del, er 2,56 m lang; den består av 18 lag av 16 mantler anbrakt på samme måte som i oppvarmingssonens første del. Denne sone består av tre oppvarmingsseksjoner som reguleres uavhengig, noe som gjør det mulig å holde temperaturen i denne sone på 1200°C, pluss eller minus 10°C.

Som sats anvendes metan fortynnet med hydrogen i et volumforhold på 1 : 1. Denne blanding forvarmes til 1000°C og krakkes i den ovenfor beskrevne reaktor. Gassblandigens absolutte trykk i reaktoren holdes i hovedsak konstant og lik 0,125 MPa. I hovedsak rent hydrogen føres inn i motstandsområdet for å oppnå og for å holde dette område på et absolutt trykk som i hovedsak er konstant og lik 0,130 MPa. Etter avkjøling til omgivelsestemperatur oppnås for 200 mol av blanding av metan og hydrogen med likt volum de følgende mengder av hovedprodukter:

Claims

1. Apparat for termisk omdannelse av metan til hydrokarboner med høyere molekylvekt omfattende en reaktor (1) med langstrakt form i forhold til en akse med fortrinnsvis kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt, omfattende ved en første ende anordninger for tilførsel av en gassformig blanding og ved den motsatte ende anordninger for utførsel av det produserte avløp og, mellom disse to ender, anordninger for tilførsel av et kjølemedium,karakterisert vedat reaktoren i en første del, på samme side som den første ende, omfatter minst én langsgående sone (20) mellom to vegger av varmemotstandsdyktig materiale som i hovedsak er parallelle med hverandre og i hovedsak parallelle med reaktorens akse, idet den langsgående sone omfatter flere elementer, anbrakt i minst to lag som i hovedsak er parallelle med hverandre og i hovedsak loddrette på reaktorens akse, hvor minst ett av disse lag omfatter en serie av mantler (4), hvor det inne i disse er elektriske oppvarmingsanordninger (3), og som således danner et lag av oppvarmingselementer, hvor elementene er anbrakt på en slik måte at det mellom dem og/eller mellom lagene som de danner og/eller mellom dem og veggene defineres områder eller passasjer for sirkulasjon av de gassformige blandinger og/eller avløp, og hvor oppvarmingsanordningene og mantlene er tilpasset for å varme opp passasjene i suksessive uavhengige tversgående seksjoner som befinner seg i i hovedsak rette vinkler til reaktorens akse, idet hver tverrseksjon omfatter minst én tversgående rekke av elementer, mens reaktoren i tillegg omfatter innretninger for automatisk kontroll og modulasjon av oppvarmingen, og som er forbundet med oppvarmingsinnretningene, og omfattende i en andre del (8) (den motsatte endedel), tilgrensende til den første del, anordninger (9) for kjøling av avløpet og forbundet med tilførselsinnretninger for kjølemediet.

2. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat hver langsgående sone er dannet ved sammenstilling av en serie modulbestanddeler med kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt, hvor hver omfatter minst to elementer som danner en tverrsoverrettet rekke hvor minst ett er dannet av en mantel (4), som på innersiden har en elektrisk oppvarmingsanordning (3), og som utgjør et oppvarmingselement (19), idet disse elementer er anbrakt på en slik måte at det mellom dem og/eller mellom dem og veggene i sonen er definert områder eller passasjer for sirkulasjon av gassformige blandinger og/eller avløp og disse moduler er sammenstilt på en slik måte at elementene mellom to vegger av motstandsdyktig materiale som i hovedsak i seg selv er parallelle og i hovedsak parallelle med reaktorens akse, danner minst to lag som i hovedsak er parallelle i seg selv og i hovedsak parallelle med reaktorens akse.

3. Apparat ifølge krav 2,karakterisert vedat bestanddelsmodulen er valgt fra bestanddelsmoduler som omfatter minst to tversgående rekker av to eller tre oppvarmingselementer som er anbrakt slik at sammenstillingen av disse moduler gjør det mulig å oppnå minst to lag av oppvarmingselementer, idet disse lag er loddrette på reaktorens akse og elementene danner et knippe i tverrprojeksjon med trekantet, kvadratisk eller rektangulær konfigurasjon.

4. Apparat ifølge krav 2,karakterisert vedat modulbestanddelen omfatter minst to tversgående rekker, hvor minst den ene utgjøres av oppvarmingselementer og hvor minst én annen rekke som grenser til en rekke av oppvarmingselementer er dannet av pseudo-oppvarmingselementer av et motstandsdyktig materiale, idet disse elementer er anbrakt på en slik måte at sammenstillingsposisjonen av disse moduler gjør det mulig å oppnå minst to lag av elementer, idet lagene er loddrette på aksen av reaktoren, idet elementene i tverrsnittsprojeksjon danner et knippe med trekantet, kvadratisk eller rektangulær konfigurasjon.

5. Apparat ifølge krav 4,karakterisert vedat modulbestanddelen på periferien omfatter pseudo-oppvarmingselementer, idet disse pseudo-oppvarmingselementer har et tverrsnitt som er slik at ved sammenstilling av modulene vil de som er anbrakt på kanten hvor modulene er sammenstilt, danne pseudoelementer med i hovedsak samme tverrsnitt som oppvarmingselementene, idet de som grenser mot hverandre på én side har et tverrsnitt som er mindre enn tverrsnittet av oppvarmings elementene og fortrinnsvis et tverrsnitt som er likt eller ca. halvdelen av tverrsnittet av de nevnte oppvarmingselementer og lik ca. én fjerdedel i tilfelle av de som er tilgrensende på to sider av modulen.

6. Apparat ifølge hvilket som helst av kravene 1-5,karakterisert vedat reaktoren omfatter minst to langsgående soner dannet ved sammenstilling på langsgående måte og på tvers av en serie moduler som hver omfatter minst én langsgående vegg av varmemotstandsdyktig materiale.

7. • Apparat ifølge hvilket som helst av kravene 1-6,karakterisert vedat hver vegg av varmemotstandsdyktig materiale som skiller to tilgrensende langsgående soner omfatter minst én anordning for balansering av trykket mellom de to soner.