DE1003911B

DE1003911B - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Umformung von Kohlenwasserstoffen und von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen

Info

Publication number: DE1003911B
Application number: DED16967A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilhelm Terbeck
Original assignee: Didier Werke AG
Current assignee: Didier Werke AG
Priority date: 1954-02-08
Filing date: 1954-02-08
Publication date: 1957-03-07

Description

Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Umformung von Kohlenwasserstoffen und von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen Es besteht die Aufgabe, Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoff e enthaltende Gase in kohlenwasserstoffarme oder kohlenwasserstofffreie Gase umzuformen. Nach bekannten Verfahren werden zur Umformung Kohlenwasserstoffe in W ärmeaustauschern auf eine Temperatur unterhalb ihrer Zerfalltemperatur vorgewärmt und mit hocherhitzten Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxyd, in hocherhitzten Reaktionsräumen, die im allgemeinen wie Regeneratoren mit einem Gitterwerk ausgelegt sind, umgeformt.
Das Problem bei der Umformung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffe enthaltenden Gasen liegt in der Rußbekämpfung. Die bekannten Verfahren versuchen zur Rußbekämpfung eine möglichst weitgehende Aktivierung von Rußverzehrreaktionen für den bei der Spaltung der Kohlenwasserstoffe durch Koagulation von Spaltkohlenstoffatomen oder -molekülen entstehendem Ruß. Im allgemeinen soll der Rußverzehr durch an den Rußpartikeln angreifende Wasserdampfmoleküle bei hinreichend hohen Temperaturen erfolgen.
Es ist vorgeschlagen worden, zur Umformung von Kohlenwasserstoffen mit Wälzgas in einem Teilstrom von 50% zu arbeiten. Die Vergasungsmittel werden dabei dem Wälzgas zugesetzt, und in einer Wirbelkammer werden in das Wälzgas-Vergasungsmittel-Gemisch flüssige Rückstandsöle als umzuformende Kohlenwasserstoffe eingeführt. Die Umformung selbst wird dabei in einem Regenerator vorgenommen, dessen Wärmeinhalt die Reaktionswärme decken muß. Man erhält auf diese Weise ein Produktionsgas mit über 15% Kohlenwasserstoff. Es ist daher erforderlich, den Teilstrom des Produktionsgases, der zur Umformung der Kohlenwasserstoffe in den Prozeß zurückgeführt wird, noch einer besonderen Behandlung zu unterziehen, um ihn kohlenwasserstofffrei zu machen.
Die Erfindung betrifft demgegenüber ein Verfahren zur thermischen Umformung von Kohlenwasserstoffen und von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen unter Verwendung von Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxyd, welches darin besteht, daß kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur vorgewärmte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase zusammen mit Reaktionsmitteln in einen hocherhitzten Gasstrom eingedüst und in dem Gasstrom durch die Reaktionsmittel und unter Deckung des Wärmebedarfs der Umformungsreaktion aus eben dem hocherhitzten Gasstrom umgeformt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Vergasungsmittel nicht dem Wälzgas zugegeben, sondern zusammen mit dem umzuformenden Gut in den Wälzgasstrom eingeführt, wodurch der Kontakt und die Vermischung der Vergasungsmittel mit dem Vergasungsgut verbessert und Rußbildung unterdrückt wird. Auch geschieht die Umformung nicht in einem Regenerator, sondern im wesentlichen in einem von Einbauten freien Raum, und der Wärmebedarf für die Umformung wird nicht unmittelbar regenerativ gedeckt, sondern dem entsprechend hocherhitzten und in entsprechender Menge verwandten hocherhitzten Gasstrom entnommen. Vorzugsweise ist der hocherhitzte Gasstrom ein Wälzgasstrom aus Produktionsgas, der einer besonderen Umformungsbehandlung nicht mehr unterworfen zu werden braucht, da es gelingt. ein praktisch kohlenwasserstofffreies Produktionsgas zu erzeugen.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß es gelingt, beliebige Kohlenwasserstoffe rußfrei in kohlenwasserstofffreie bzw. für praktische Zwecke hinreichend kohlenwasserstoffarme Gase umzuformen, wenn man zur Umformung so viel Wälzgas verwendet, als zur Deckung des Wärmebedarfs der gesamten Umformungsreaktion (aus Spaltung und Wassergasprozeß am Spaltkohlenstoff) erforderlich ist, und die Reaktionsmittel vor der Reaktion mit den Kohlenwasserstoffen mischt. Man vermeidet, daß Kohlenwasserstoffe in ein Regeneratorgitterwerk eintreten und dort als Graphit niedergeschlagen werden oder infolge Rußbildung den Regenerator verstopfen.
Der Gasstrom, in den die Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gase samt Reaktionsmitteln eingedüst werden, kann ein beliebiger Gasstrom sein, dessen Moleküle, die beispielsweise an der Reaktion als Zwischenreaktionsträger teilnehmen oder auch sich inert verhalten; Anwendung finden; beispielsweise läßt sich das Verfahren auch mit Lichtgas durchführen. Die Temperatur des Gasstromes soll zwischen 1200 und 1400° liegen.
1;ach einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung, wie bereits erwähnt, vor, kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur vorgewärmte Kohlenwasserstoff e oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase zusammen mit Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf, in einen hocherhitzten, als Wälzgas geführten Produktions-Irr einzufahren. Die Umformungsreaktion wird zweckmäßig in einer Düse durchgeführt. Vorteilhafterweise werden in einer Düse in Mischung mit einem vorerhitzten Wälzgasstrom die Kohlenwasserstoffe oder die Bohlen Wasserstoffe enthaltenden Gase umgeformt und ein Teil des Produktionsgases nach Zwischenkühlung, z. B. mittels Gebläse, über Wärmeaustauscher zur Vorerhitzung auf zur Durchführung der Umgasungsformungsreaktionen hinreichend hohe Temperaturen als Wälzgas wieder mit Kohlen 3v asserstoff oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen gemischt.
Die Temperatur des Wälzgases soll erfindungsgemäß im Kreislauf möglichst oberhalb der Taupunkttemperatur gehalten werden. Die Vorerhitzung oder eine weitere Erhitzung des Wälzgases kann auch durch eine exotherme Verbrennungsreaktion im Wälzgasstrom, beispielsweise Einbrennen von Luft öder Sauerstoff in den als Wälzgas verwandten Produktionsgasstrom vor dessen Eintritt in die Düse, in der die Umformungsreaktion stattfindet, durchgeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die exotherme Verbrennungsreaktion vor Beginn der Umformung der Kohlenwasserstoffe im. Wälzgasstrom abgeschlossen ist, damit nicht durch unvollständige Verbrennung derselben Ruß gebildet wird. Die Zumischung von Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen mit Reaktionsmitteln zu einem Wälzgasstrom zwecks Umformung der Kohlenwasserstoffe ;wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise in solchen Mengen vorgenommen, daß die Kohlenwasserstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe in dein Wälzgas-Kohlenwasserstoff-Reaktionsmittel-Gemisch auf etwa die Konzentration des Kohlenstoffes der Kohlenwasserstoffe im Koksofengas herabgesetzt wird. Erfahrungsgemäß ist eine solche Verminderung der Kohlenstoffkonzentration zur Verhinderung der Koagulation des bei der Spaltung der Kohlenwasserstoffe entstehenden Rußes empfehlenswert und bereits ausreichend. Die dadurch festgelegte Wälzgasmenge reicht bei den angegebenen Temperaturen sowohl zur Deckung des Wärmebedarfs der Umformungsreaktion als auch zur Erzeugung einer hinreichend hohen Reaktionsgeschwindigkeit dieser Reaktion aus.
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung besteht z. B. aus einem Regenerator mit nachgeschalteter Brennkammer zum Einbrennen von Luft oder Sauerstoff in einen im Regenerator vorerhitzten Wälzgasstrom ausbrennbarer Gase, vorzugsweise aus Produktionsgas, sowie einer der Brennkammer in Richtung des Wälzgasstromes nachgeschalteten, aber von der Flammreaktion beim Einbrennen von Luft oder Sauerstoff in den Wälzgasstrom zweckmäßig nicht erreichbaren Düse mit Einführungsöffnungen zur Einführung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen zusammen mit Reaktionsmitteln und zur Mischung derselben mit dem Wälzgas.
Die Vorrichtung kann auch aus einem Regenerator mit nachgeschalteter Brennkammer und Düse zur 'Mischung und Umformung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen nachgeschaltetem weiterem hocherhitztem Reaktionsraum für die Umformungsreaktion bestehen, wobei dieser Reaktionsraum gleichsam als Sicherheitsreaktionsraum dienen soll und die Umformung der Kohlenwasserstoffe bewirkt, deren Umformung in der Düse nicht eingeleitet oder nicht beendet wurde. Erfindungsgemäß kann die Düse, in der die Umformungsreaktion sich größtenteils abspielt, auch wassergekühlt sein und fernerhin dein hinter der Düse angeordneten hocherhitzten Reaktionsraum, der beispielsweise wie ein Regenerator ein Gitterwerk besitzt, ein Wärmeaustauscher zur Ausnutzung der Abhitze der Produktionsgase nachgeschaltet sein.
Zweckmäßig wird das Wälzgas in einem turmartigen Regenerator von unten nach oben geführt und dabei vorerhitzt, strömt aus diesem in eine nachschaltbare waagerechte Brennkammer und im Anschluß daran von oben nach unten in einem ebenfalls turmartigen Regenerator als hocherhitzten Reaktionsraum und von dort in einen unterhalb oder neben dem Reaktionsraum angeordneten weiteren Regenerator zur Abwärmeausnutzung.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß infolge der Verminderung der Kohlenstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe in einem bestimmten Gasvolumen durch 'Mischung mit einem Wälzgas oder einem anderen Gasstrom bei Anwesenheit von Reaktionsmitteln, wie Wasserdampf, dem bei der Spaltung der Kohlenwasserstoffe entstehenden atomaren oder molekularen Kohlenstoff die Möglichkeit genommen wird, zu Ruß zu koagulieren, und bereits am atomaren oder molekularen Kohlenwasserstoff durch Stoß mit Reaktionsmittelmolekülen eine Verzehrreaktion, beispielsweise ein Wassergasprozeß, eingeleitet wird. Erfindungsgemäß ist durch die Verminderung der Kohlenstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe die Wahrscheinlichkeit für den Stoß von Kohlenstoffatomen oder -molekülen untereinander verhältnismäßig klein, die für den Stoß der Kohlenstoffatome oder -moleküle mit Wasserdampfmolekülen verhältnismäßig groß. Außerdem besitzen die Wasserdampfmoleküle und auch die sonstigen im Wälzgas enthaltenen Moleküle eine hinreichend hohe Energie, die Umformungsreaktion mit großer Geschwindigkeit ablaufen zu lassen. Erfindungsgemäß wird demnach die Rußbekämpfung wirksamer als bei d--,n bekannten Verfahren durchgeführt und zugleich der Wärmehaushalt des Verfahrens wirtschaftlicher als nach dem bekannten gestaltet.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Zeichnung, die das erfindungsgemäße Verfahren schematisch darstellt und die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ebenfalls in schematischer Darstellung zeigt, ausführlicher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Schemadarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig.2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In Fig. 1 wird ein Strom 1 eines Gemisches von Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen mit Reaktionsmitteln, wie Wasserdampf, vor einer Düse 2 mit einem hocherhitzten Wälzgasstrom 3, der einen Teilstrom des Produktionsgases darstellt, gemischt und dadurch innerhalb der Düse in ein kohlenwasserstoffarmes oder kohlenwasserstofffreies Gas umgeformt. Der Wälzgasstrom 3 wird in dem Wälzgasvorwärmer 4 auf hohe Temperaturen, beispielsweise auf 1100 bis 1200°, vorerhitzt und durch Einbrennen eines Luft- oder Sauerstoffstromes 5 in einer Brennkammer 6 auf eine so hohe Temperatur gebracht, daß die Umformungsreaktion in der Düse 2 mit großer Geschwindigkeit läuft. Die Düse 2 kann wassergekühlt sein. Das in der Düse gebildete Produktgas gelangt in einen ebenfalls hocherhitzten Reaktionsraum 19, in welchem in der Düse noch nicht umgeformte Kohlenwasserstoffmoleküle oder solche, deren Umformungsreaktion noch nicht beendet ist, weiter umgeformt werden. Über den Wärmeaustauscher 7 wird das Produktionsgas in dem Teilstrom 8 aus dem Prozeß herausgezogen, während der Teilstrom 3 des Produktionsgases als Wälzgas wieder in den Wälzgasvorwärmer 4 eintritt.
Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig. 2 im Querschnitt bei schematischer Darstellung. In dem turmartigen Wälzgasvorwärmer 9 wird das Wälzgas vorerhitzt und von dort in die Brennkammer 10 durch Einbrennen von Sauerstoff durch die Düsen 11 in den Wälzgasstrom eingebracht. Bei Eintritt in den Reaktionsturm 12 ist die Flammenreaktion des Einbrennvorganges bereits abgeschlossen. Das hocherhitzte Wälzgas tritt in die Düse 13 ein und wird beim Eintritt in die Düse 13, die z. B. wassergekühlt ist, mit über die Düsen 14 eingefahrenen Kohlenwasserstoffen gemischt. Die Umgasungsreaktion läuft in der Düse 13 und wird, soweit sie nicht abgeschlossen ist, in den Reaktionsraum 15, der hocherhitzt ist, fortgeführt. Aus diesem wird Produktionsgas über den Regenerator 16 abgezogen und ein Teilstrom 17 des Produktionsgases beispielsweise nach in der Figur nicht dargestellter Zwischenkühlung mittels eines in der Figur ebenfalls nicht dargestellten Gebläses in den Wälzgasv orw ärmer 9 zurückgeführt. Der Produktionsgasstrom 18 steht dem Verbraucher zur Verfügung. Der Wälzgasvorwärmer 9 und der Reaktionsraum 15 sind zweckmäßig Regeneratoren, die in einer besonderen Heizperiode in bekannter Weise beheizt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur thermischen Umformung von Kohlenwasserstoffen und von Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen unter Verwendung von Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf oder Kohlendioxyd, dadurch gekennzeichnet, daß kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur vorerwärmte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase zusammen mit Reaktionsmitteln in einen hocherhitzten Gasstrom eingedüst und in dem Gasstrom durch die Reaktionsmittel und unter Deckung des Wärmebedarfes der Umformungsreaktion aus dem hocherhitzten Gasstrom umgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur oder Kohlen-Wasserstoffe enthaltende Gase in Mischung mit Reaktionsmitteln, wie beispielsweise Wasserdampf, innerhalb einer Düse mit einem auf eine zur Umformung der Kohlenwasserstoffe hinreichend hohe Temperatur von 1200 bis 1400° vorerhitzten Gasstrom gemischt und dabei umgeformt werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase zusammen mit Reaktionsmitteln in einem hocherhitzten Wälzgasstrom eingedüst und umgeformt werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Düse in Mischung mit einem vorerhitzten Wälzgasstrom kalte oder auf eine Temperatur unterhalb der Spaltungstemperatur vorerwärmte Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase umgeformt und ein Teil des umgeformten Gases nach Zwischenkühlung, z. B. mittels Gebläse über Wärmeaustauscher zur Vorerhitzung, wieder mit den Kohlenwasserstoffen oder den Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasen gemischt werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltende Gase in Mischung mit Reaktionsmitteln in einer z. B. auch wassergekühlten Düse mit einem vorerhitzten Produktionsgasstrom als Wälzgas gemischt und mittels einer Düse mit nachgeschaltetem hocherhitztem Reaktionsraum umgeformt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wälzgases im Kreislauf bei der Zwischenkühlung oberhalb der Taupunkttemperatur gehalten wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wälzgaskreislauf vor der Düse, in der die Umformung stattfindet, eine exotherme Reaktion, beispielsweise durch Einbrennen von Luft in das der Wälzgas verwandte Produktionsgas, so geführt wird, daß die Reaktion bei Erreichen der Düse bereits abgeschlossen ist. B.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zumischung von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff e enthaltenden Gasen mit Reaktionsmitteln zu einem Wälzgasstrom bei Eintritt in eine Düse zur Umformung der Kohlenwasserstoffe die Kohlenstoffkonzentration der Kohlenwasserstoffe in dem gebildeten Gemisch auf etwa die Konzentration des Kohlenstoffes im Koksofengas herabgesetzt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Regenerator zur Wälzgaserhitzung mit nachgeschalteter Brennkammer zum Einbrennen von Luft oder Sauerstoff sowie der Brennkammer im Gasstrom nachgeschalteter, aber von der Flammenreaktion zweckmäßig nicht erreichbarer Düse mit Öffnungen zur Einführung der mit Reaktionsmittel gemischten Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gase.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen nachgeschalteten hocherhitzten Reaktionsraum in Form eines Regenerators.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 9 und 10, gekennzeichnet durch eine gekühlte, z. B. wassergekühlte Düse sowie nachgeschalteten hocherhitzten Reaktionsraum mit Abhitzeregenerator.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 9 bis 11, gekennzeichnet durch einen turmartigen Regenerator, nachgeschaltete Brennkammer und daran angeschlossenen turmartigen, von oben nach unten durchströmten Reaktionsraum mit vorgeschalteter Düse sowie seitwärts oder unterhalb des Reaktionsraumes angeordnetem Abhitzeregenerator. In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 165 284.