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Einrichtung zum thermischen Umformen von Kohlenwasserstoffen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zum thermischen Umformen (Spalten) von Kohl.enwasserstoffen
oder kohlenwasserstoffhaltigen Gasen in Gegenwart von Wasserdampf und gegebenenfalls
Sauerstoff.
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Thermische Spaltungen der angegebenen Art werden in der Technik in
größtem Umfang durchgeführt. Bei einer bekannten Ausführungsform eines solchen Spaltverfahrens
bedient man sich einer Einrichtung, die im wesentlichen aus einem aufrecht stehenden
Gehäuse besteht, welches folgende Teilräume umschließt: einen Spaltraum, in welchem
das Reaktionsgemisch aus Kohlenwasserstoff und Wasserdampf und gegebenenfalls einem
freien Sauerstoff enthaltenden Gas durch Wärmeaustausch mit dem heißen Besatz dieses
Raumes aufgeheizt wird, wobei die Kohlen wasserstoffe in dem gewünschten Ausmaß
gespalten und in Kohlenwasserstoffe mit geringerem C-Gehalt bzw. permanente Gase
gespalten werden; ferner einen Regenerator, in welchem die heißen Reaktionsprodukte
aus dem Spaltraum ihre fühlbare Wärme teilweise an einen Besatz abgeben, aus dem
später die auf diese Weise gespeicherte Wärme an Verbrennungsluft übertragen wird;
und schließlich einen von Einbauten im wesentlichen freien Verbrennungsraum, in
welchem ein Brennstoff mit der im Regenerator vorgewärmten Luft verbrannt wird,
wobei die dabei entstehenden heißen Rauchgase zur Rufheizung des Spaltraumbesatzes
dienen.
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Eine solche Einrichtung wird mit wechselnder Strömungsrichtung und
solcher Dauer der Wechselperioden betrieben, daß die im Spaltraum herrschende Temperatur
nur innerhalb eines gewissen Bereiches schwankt. Die Gasumformung ist also intermittierend,
so daß zu einem fortlaufenden Betrieb zwei derartige Einrichtungen, von denen jede
die obengenannten Einzelbauwerke umfaßt, gehören.
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Für die großtechnische Erzeugung von Synthesegas durch möglichst vollständige
Spaltung von Kohlenwasserstoffen bzw. von Stadtgas durch teilweise Spaltung von
Kohlenwasserstoffen. nehmen die Einzelbauwerke der oben beschriebenen Spalteinrichtung
beträchtliche Abmessungen ein. So kann man damit rechnen, daß beispielsweise für
die Erzeugung von etwa 400000 ms umgeformtem Gas je Tag Spalteinrichtungen notwendig
sind, die eine Höhe des Gitterwerkbesatzes von mehr als 22 m haben bei einem Durchmesser
von 6 m für den Spaltraum und den Regenerator.
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Um den baulichen Aufwand für derartige Spalteinrichtungen zu verkleinern,
ist schon vorgeschlagen worden, Regeneratorraum, Spaltraum und Übergangsraum in
einem gemeinsamen, aufrecht stehenden zylindrischen Gehäuse anzuordnen. Diese bekannte
Einrichtung hat aber den schwerwiegenden Nachteil, daß wegen der starren konstruktiven
Verbindung der beiden in dem gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Gaswege eine auch
nur halbwegs befriedigende Gasdichtigkeit der beiden Gaswege gegeneinander nicht
zu verwirklichen ist. Die Gaswege durch Spaltraum und Regeneratorraum unterliegen
nämlich wegen des intermittierenden Betriebes nicht nur rhythmischen Temperaturschwankungen,
sondern befinden sich auch noch auf Temperaturebenen, die unter Umständen um mehrere
hundert Grad auseinanderliegen.
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Die Erfindung erzielt hier ,einen beträchtlichen Fortschritt. Die
Erfindung besteht im wesentlichen darin, d,aß die gemeinsame Anordnung von Spaltraum,
Regeneratorraum und Übergangsraum (Verbrennungsraum) zu einer baulichen Einheit
derart erfolgt, daß der Regeneratorraum von einem in sich geschlossenen und vom
Außenmauerwerk der ganzen Einrichtung sowie vom Spaltraum unabhängig beweglichen
:Mauerwerk umgeben ist.
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Die einzelnen, in dem gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Räume können
sich also völlig unabhängig voneinander bewegen, so wie es die Temperaturschwankungen
erforderlich machen. Dadurch wird eine auch bei langen Betriebszeiten bleibende
Dichtigkeit der einzelnen Räume gegeneinander erreicht. Es können also Gasübertritte,
insbesondere vom Spaltraum zum Regeneratorraum, und umgekehrt, nicht mehr eintreten,
wodurch die Nutzleistung der ganzen Einrichtung verbessert wird.
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Da der den Spaltraum und Regenerator verbindende Raum, der durch die
Kuppel des gemeinsamen Gehäuses dargestellt wird, nunmehr auch als Verbrennungsraum
und nicht nur, wie bei den bekannten Hochofenwinderhitzern, als Umlenkungsraum dient,
sind in dieser Kuppel Düsen vorgesehen, die in der Nähe
des oberen
Endes des Regeneratorbesatzes enden und durch die ein gasförmiger oder flüssiger
Brennstoff in den Verbrennungsraum eingeführt wird, der dort mit der im Regenerator
vorgewärmten Luft unter Bildung heißer Rauchgase verbrennt, die dann den Besatz
des Spaltraumes aufheizen.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung an einem schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel beschrieben, aus dem sich auch weitere Kennzeichen der Erfindung
ergeben.
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Abb. 1. zeigt einen senkrechten Schnitt durch die erfindungsgemäße
Einrichtung; Abln. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene A-A der Abb. 1; Abb. 3 zeigt
einen Schnitt in der Ebene B-B der Abb. 1; Abb. 4 zeigt einen Schnitt durch eine
Düse für den Verbrennungsraum gemäß Abb. 1.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einem zylindrischen Mantel
1 aus feuerfestem bz@v. wärmeisolierendem Material, welches an der Außenseite von
einem hier nicht besonders dargestellten Blechmantel umgeben ist. Über dem zylindrischen
Raum wölbt sich eine Kuppel 2, die ebenfalls aus feuerfestem, wärmeisolierendem
Stoff aufgebaut ist, wobei das feuerfeste Wandmaterial so ausgesucht ist, daß es
den jeweils angewandten Temperaturen Widerstand leisten kann. Der freie Raum innerhalb
de,. zylindrischen Teiles des Schachtes der Umformeinrichtung ist durch eine Querwand
3 in zwei voneinander gasmäßig getrennte Räume unterteilt, von denen der eine Raumteil,
4, eine sichelförmige und der andere Raumteil. 5, eine linsenförmige Ouerschnittsform
hat. Diese Art bzw. Form der Unterteilung ist allerdings kein wesentliches Kennzeichen
der erfindungsgemäf, ausgebildeten Einrichtung, sondern ist in vorliegendem Fall
nur gewählt, weil bei einer solchen Unterteilung des Schachtes eine besonders vorteilhafte
Ausbildung des Besatzsteines, wie im folgenden noch gezeigt «-erden wird, angewandt
werden kann. Die Zwischenwand 3 kann an sich auch jede andere, z. B. auch eine völlig
gerade Form haben. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist aber, daß die Trennwand
3 nicht starr mit dein ganzen Mauerwerk 1 in Verbindung steht, sondern nur mit einem
Teilstück 3a, und zwar derart, daß das den Besatzraum 5 umschließende Mauerwerk
3, 311 sich unabhängig von dem äußeren Mauerwerk 1 bzw. dem Besatzraum 4 bewegen
kann. Dadurch wird erreicht, daß beim Betrieb auftretende, die Gasdichtigkeit herabsetzende
Risse in der Wand 3 praktisch vollständig vermieden werden. In einer gewissen Höhe
oberhalb des Fundaments der Einrichtung befinden sich Tragroste 6 und 7, auf denen
ein Gitterwerk aus Besatzsteinen ruht, welches den Raum 4, der für die Spaltung
des Reaktionsgemisches bestimmt ist, und den Raum 5, der als Regenerator dient,
bis hinauf zum unteren Rand der Kuppel ausfüllt.
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Innerhalb der Kuppel t, und zwar im Bereich des oberen Endes des Regeneratorraumes
5, sind Düsen 8 vorgesehen, die später noch genauer beschrieben werden. Die Gasumformung
erfolgt nun in der Weise, daß ein Gemisch aus dem umzuformenden Gas und Wasserdampf
durch Leitung 9 und den Rost 6 in den in einer vorhergehenden Periode auf eine hohe
Temperatur aufgeheizten Spaltraum 4 eingeführt werden. Die den Spaltraum verlassenden
Reaktionsprodukte ziehen durch die Kuppel 2 in den Regenerator 5 ab, geben dort
ihre fühlbare Wärme zu einem großen Teil an den Besatz ab und verlassen die Einrichtung
durch die Nutzgasleitung 10. Sobald die Temperatur innerhalb des Spaltraumes 4 infolge
der sich dort abspielenden endothermen Reaktionen so weit abgesunken ist, daß eine
Umformung des Ausgangsgases in dem gewünschten Ausmaß nicht mehr auftritt, wird
reversiert. Es werden dann zunächst die Ventile 9a und 10a geschlossen und die Ventile
11a in der Leitung 11 und 1211 in der Leitung 12 geöffnet. Anschließend wird durch
die Leitung 12 Luft in den Regenerator 5 eingeführt, die dort erhitzt wird und am
Ende des Regeneratorbesatzes mit einem durch die Düse 8 eingeführten gasförmigen
oder flüssigen Brelinstoff in Berührung kommt, wobei eine exotherme Reaktion stattfindet,
die sich im wesentlichen in dem Kuppelraum 2 abspielt. Die dabei entstehenden heißen
Rauchgase ziehen durch den Spaltraum 4 abwärts, bringen den Besatz wiederum auf
eine hohe Temperatur und verlassen die Einrichtung durch die Leitung 11.
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Für den Besatz des Spaltraumes 4 und des Regenerators 5 kann an sich
ein beliebiger, für den beabsichtigten Zweck brauchbarer Besatzstein verwendet werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung treten jedoch in besonders starker Form
in Erscheinung, wenn man, wie auch in den Zeichnungen dargestellt, dem Spaltraum
4 eine sichelförmige und dem Regenerator 5 eine linsenförmige Gestalt gibt. Die
Abb.3 zeigt diese Ausbildung der Räume in einem gegenüber der Abb.2 vergrößerten
Maßstab. In diesem Fall werden Besatzsteine verwendet, die in ihrem waagerechten
Querschnitt die Form eines langgestreckten, an seinen Längsseiten etwas gekrümmten
Rechteckes haben, welches zwei nach der gleichen Seite sich erstreckende, symmetrisch
liegende Vorsprünge besitzt, die gegen die glatte Seite des Nachbarsteines anliegen
und auf diese Weise schmale und lang gestreckte Gaskanäle bilden. 'Mit dieser Art
Besatzsteinen läßt sich je Raumeinheit Besatzvolumen eine bis zu 1,8fach größere
Heizfläche erstellen.
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Die in der Abb. 1 nur andeutungsweise dargestellte Düse 8 hat im einzelnen
die in der Abb. 4 dargestellte Ausbildung. Die Düse besteht zunächst aus einem zentralen
Metallrohr 14, durch das der gasförmige oder flüssige Brennstoff durch die Wandung
des Kuppelraumes 2 in die Kuppel eingeführt wird. Das Rohr ist von einem Wassermantel
15 umgeben, der mit einem Zulauf 15a und einem Ablauf 1511 für das Kühlwasser
versehen ist. Der Kühlmantel selbst liegt in einer Umhüllung 16 aus feuerfestem
Material. Von der Brennstoffleitung 14 gehen im Bereich der Kuppel nach oben Abzweigleitungen
17 ab, durch die der Brennstoff in den Kuppelraum eintreten und sich dort anschließend
mit der von unten aufsteigenden vorgewärmten Verbrennungsluft vermischen kann. Die
Düse ist innerhalb des Mauerwerkes 2 geführt und kann aus der Einrichtung leicht
herausgezogen werden, wenn dies zum Zwecke der Reinigung oder Reparatur notwendig
sein sollte.
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Die räumliche Vereinigung von Spaltraum und Regenerator in einem Gehäuse
erfordert hinsichtlich der Dichtigkeit der Trennwand 3 keine besonderen aßnahmen,
da durch die unabhängige Bewegung des 1 z# Regeneratorraumes 5 eine gute
Dichtigkeit der Wand auch bei längerem Betrieb gewährleistet ist. Dort wo das Spaltgas
noch nennenswerte Mengen von Kohlenw-asserstoffen und insbesondere Methan enthalten
soll, wie es beispielsweise bei der Erzeugung von Stadtgas aus höhersiedenden Kohlenwasserstoffen
der Fall ist, würde eine geringe Undichtigkeit an sichnicht allzusehr stören. Soll
die erfindungsgemäße Einrichtung jedoch benutzt werden, um aus kohlenwasserstoffhaltigen
Ausgangsgasen
ein von Restkohlenwasserstoff en, insbesondere Methan, praktisch freies Spaltgas
zu erzeugen, z. B. ein für Synthese geeignetes Wassergas, so wirkt sich die erfindungsgemäße
Ausbildung der Spalteinrichtung besonders vorteilhaft aus.
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Die @_orteile der vorliegenden Erfindung und der dadurch erreichte
technische Fortschritt seien in dem folgenden Vergleichsbeispiel dargestellt.
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Es sei eine Gasumformungsanlage betrachtet, die die Erzeugung von
360 000 bis 400 000 Nm" umgeformtes Gas je Tag gestattet. Der Spaltraum habe den
in Abb. 3 dargestellten sichelförmigen Querschnitt, der Regeneratorraum einen daran
angepaßten linsenförmigen Querschnitt. Als Besatzstein sei ein solcher verwendet,
wie er aus dem schraffierten Teil von Abb. 3 zu ersehen ist.
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A. Einrichtung gemäß der Lrfindung.
| Spaltraum Regeneratorraum |
| Außendurchmesser ... 7,1 m für das gemeinsame |
| Gehäuse |
| Besatzhöhe .......... 16,0 m 16,0 m |
| Querschnitt . . . . . . . . . . 15,54 m2 6,44m2 |
| Heizfläche ........... 9519 m2 3990 m2 |
h. Einrichtung wie im Beispiel A, jedoch unter Verwendung von Sechskant-7-Loch-Steinen
als Besatz.
| Spaltraum Regeneratorraum |
| Außendurchmesser . .. 7,1 m für das gemeinsame |
| Gehäuse |
| Besatzhöhe . . . . . . . . . . . '2'2,6 m 22,6 m |
| Ouerschnitt . . . . . . . . . . 15,9m2 6,34 m2 |
| Heizfläche ........... 9519 m2 3990 m2 |