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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Industriegas, wie Stadtgas
oder Synthesegas, aus flüssigen Brennstoffen Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren
und eine zu seiner Durchführung dienende Vorrichtung zur Erzeugung von Industriegas,
wie Stadtgas oder Synthesegas, aus flüssigen Brennstoffen, und zwar aus ölen beliebiger
und gegebenenfalls wechselnder Zusammensetzung, insbesondere aus teerhaltigen Schwerölen.
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Während die restlose Vergasung solcher Schweröle sich bisher noch
nicht einmal im unstetigen Betrieb befriedigend durchführen ließ, ist die restlose
Vergasung leichterer Öle bisher im stetigen Betrieb ebenfalls nicht möglich.
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Erfindungsgemäß erreicht man die Erzeugung von Industriegas aus flüssigen
Brennstoffen aller Art, insbesondere aus teerhaltigen Schwerölen dadurch, daß die
Vergasung in mehrere Stufen unterteilt wird, die der jeweils gewünschten Zusammensetzung
des Endgases entsprechend eingestellt und kombiniert werden. Zunächst wird das Rohöl
im Wärmeaustausch mit gasförmigen heißen i\-fedien vorgewärmt und anschließend der
ersten Stufe zugeleitet; in dieser Stufe wird das vorgewärmte 01 durch Wärmezufuhr
bei einer Temperatur von 500 bis 900° vorsichtig thermisch gespalten, wobei einerseits
ein sehr heizwertreiches Gas, bestehend vorwiegend aus höhermolekularen Kohlenwasserstoffen,
und andererseits Ölteer in Dampfform anfällt. Je nach der Zusammensetzung des Öls
und der Temperatur bildet sich unter Umständen auch fier Kohlenstoff, der größtenteils
mit den erzeugten Gasen und Dämpfen abzieht und dessen Rest sich auf den Wandungen
der Spaltkammer absetzt. Das anfallende Gas-Dampf-Gemisch wird sodann bis zur Kondensation
der Teerdämpfe unter Vorwärmung des kalten Rohöls bzw. des anfallenden Olteers gekühlt.
Die Abtrennung des Ölteers aus den restlichen Dämpfen bzw. Gasen kann durch einen
Teerscheider bekannter Bauart unterstützt werden. Die erste Vergasungsstufe entspricht
im allgemeinen den bisherigen Methoden, doch sieht die Erfindung drei wichtige Maßnahmen
vor. Erstens wird die thermische Behandlung vorzugsweise nicht in einer regenerativ
aufgeheizten Kammer vorgenommen, sondern es wird die notwendige Wärmemenge entweder
durch Außenbeheizung zugeführt oder im unmittelbaren Wärmeaustausch durch einen
fluidisierten Wärmeträger. Diese Maßnahme ist besonders wichtig. Es ist nämlich
unmöglich, bei der regenerativen Heizung eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten.
Am Anfang der Periode besitzen die Wandungen und die Einbauten eine viel zu hohe
Temperatur, wodurch es zu starker Rußbildung kommt. Gerade deshalb war es bisher
praktisch unmöglich, Schweröle wirtschaftlich zu vergasen. Der abgeschiedene Ruß
setzte sich auf die Einbauten und Wandungen ab und mußte in der Aufheizperiode nutzlos
abgebrannt werden.
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Als zweite erfindungsgemäße Maßnahme wird heißes Wassergas in die
Spaltkammer eingeführt, dessen Wasserstoffgehalt eine Hydrierwirkung ausübt und
dadurch der Rußbildung entgegenwirkt. Schließlich wird der etwa doch anfallende
Ruß durch einen zeitweilig eingeblasenen hochüberhitzten Sauerstoffträger, wie Wasserdampf,
beispielsweise Wasserdampf von 1500°, restlos vergast, also nützlich verwertet.
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Die zweite Stufe dient zu dem Zwecke, die höhermolekularen Kohlenwasserstoffe
mittels gas- oder dampfförmiger Sauerstoffträger einer teilweisen Spaltung (Reformierung)
zu unterwerfen, also sie vorwiegend zu C H41 H, und C O abzubauen. Im Regelfall
wird eine höhere Temperatur in der Reformierungskammer gehalten als in der Spaltkaminer.
Diese Stufe wird vorzugsweise dann benötigt, wenn ein normgerechtes Stadtgas erzeugt
werden soll, dessen Gehalt an höheren Kohlenwasser-Stoffen normalerweise verhältnismäßig
niedrig zu halten ist. Als Sauerstoffträger kann entsprechend erhitzter Wasserdampf,
Luft, Sauerstoff oder eine Mischung von diesen Stoffen verwandt werden.
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Der bei der Kühlung abgeschiedene Olteer gelangt nach genügender Vorwärmung
in die dritte Stufe, in der in Gegenwart eines geeigneten Vergasungsmittels restlos
vergast wird. Als Vergasungsmittel hat sich ein Gemisch von höchstüberhitztem Wasserdampf
und stickstoffarmem heißem Rauchgas als besonders geeignet erwiesen. Dieses Vergasungsgemisch
gewinnt man vorzugsweise durch Verbrennung eines zweckmäßig vorgewärmten Brennstoffes,
wie
Rohöl, Ölteer, Spaltgas oder Ölteerwassergas mit vorzugsweise vorgewärmter Luft
von beliebigem Sauerstoffgehalt, wobei zu den überaus heißen Rauchgasen entsprechend
überhitzter Wasserdampf und/oder CO, zugemischt wird. Man erhält dann ein
Gemisch von beispielsweise 1800°, welches bei Verwendung von Luft als Verbrennungsmittel
die folgende Zusammensetzung haben kann: ............................. 411/e H.,
O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 11/n 0z ...............................
1°1f0 NTZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 0/11:
Der zu vergasende Ölteer wird, gegebenenfalls unter Verwendung einer Teilmenge des
Vergasungsmittels oder des Spaltgases als Trägergas, in die Vergasungskammer zerstäubt.
Der neben der fühlbaren Wärme des Vergasungsmittels zur restlosen Vergasung des
Ölteers erforderliche Wärmebedarf wird durch äußere Wärmezufuhr zur Kammer gedeckt.
Die entstehenden Vergasungsgase entsprechen in ihrer Zusammensetzung in etwa einem
Wassergas. Ihre beträchtliche Enthalpie kann zu unmittelbarer Beheizung der Spalt-
und Reformierungskammern oder auch für andere Zwecke ausgenutzt werden.
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Wird ein entgiftetes Stadtgas verlangt oder sollen Synthesegase für
die Erzeugung von Ammoniak, Methanol usw. erzeugt werden, muß der CO-Gehalt der
einzelnen oder der vereinigten Gase in einer vierten Stufe konvertiert werden. Zu
diesem Zwecke kann man erfindungsgemäß dem Teerwassergas, nachdem seine Enthalpie
für die Beheizung der Spalt- und Reformierungskammer ausgenutzt worden ist, die
zur Konvertierung notwendige Wasserdampfmenge zusetzen und das Gas-Wasserdampf-Gemisch
entweder durch ruhende Katalysatoren durchleiten, oder aber es wird gleichzeitig
dem Gemisch ein fluidisierter Katalysator zugesetzt. Besondere Vorteile entstehen
aber dann, wenn die Vergasung in der dritten Stufe mit einem solchen Wasserdampfüberschuß
durchgeführt ist, daß für die Konvertierung kein zusätzlicher Wasserdampf benötigt
wird. In diesem Falle kann die äußere Wärmezufuhr für die Deckung des Wärmebedarfs
der dritten Stufe weitgehend herabgesetzt und unter Umständen sogar vollständig
vermieden werden.
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In den vier Stufen der geschilderten restlosen Vergasung werden demnach
vier Gasarten mit verschiedenen Zusammensetzungen erzeugt. Die einzelnen Gase können
für sich allein einer beliebigen Verwendung zugeführt werden, sie können aber auch
in regelbaren Mengen zueinander gemischt werden.
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Durch Wahl der Ölsorten, Vorwärmetemperaturen des Öls, Arbeitstemperaturen
in der Spalt- und Reformierungskannner, Zusatz von Wassergas, geeigneter Sauerstoffträger,
Temperatur derselben, einer eventuellen Abschaltung der Reformierungskammer, sowie
dadurch, daß nur ein Teil der Spaltgase durch die Reformierungskammer geleitet wird
oder aber die Spalt- und Reformierungsgase öfters durchgewälzt werden, schließlich
durch Wahl eines Katalysators lassen sich die Zusammensetzungen der Spalt- und Reformierungsgase
weitgehend beeinflussen. Im Prinzip gilt das gleiche auch für die Zusammensetzung
des in der dritten Stufe anfallenden Vergasungsgases, insbesondere hinsichtlich
Wahl des Heizbrennstoffes, des Vergasungsmittels und der Betriebsbedingungen. Werden
am Schluß alle Gasarten vereinigt, kann die Endgaszusammensetzung auch dadurch geändert
und eingestellt werden, daß in die für die äußere Wärmezufuhr benötigten Brenner
wahlweise Rohöl, Ölteer, Spaltgas, Reformierungsgas oder Vergasungsgas konvertiert
oder unkonvertiert verbrannt wird, wodurch das Verhältnis zwischen den einzelnen
Gasarten in sehr weiten Grenzen geändert werden kann. Wird endlich bezweckt, aus
den Ölen ausschließlich Wassergas oder Synthesegase zu erzeugen, können gegebenenfalls
die ersten zwei Stufen vollständig abgeschaltet werden, in welchem Falle das Rohöl
direkt in die dritte Stufe geleitet wird.
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Die Erfindung ermöglicht somit die restlose Vergasung von Ölen aller
Art im stetigen Betrieb unter Gewinnung eines hochwertigen Endegases, dessen Zusammensetzung
sich innerhalb weiter Grenzen verändern läßt.
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In Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist je ein Ausführungsbeispiel einer
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Anlage schematisch veranschaulicht.
Zunächst sei das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschrieben.
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Das zu vergasende teerhaltige Schweröl fließt aus einem Behälter 1
durch eine Leitung 2 über einen Wärineaustauscher 3 einem Zerstäuber 4 zu. Dieser
versprüht das vorgewärmte Öl in einen als Spaltkammer dienenden geschlossenen
Ringraute 5, der von einem Heizmantel 6 umgeben und von einem Zentralrohr 7 durchgesetzt
ist. Die entstehenden Öldämpfe und -gase entweichen durch eine Leitung 8, die zu
einer Reformierungskammer 9 führt. In die Leitung 8 sind parallel zu dem Wärmeaustauscher
3 ein Wärmeaustauscher 10, ferner ein Teerabscheider 11 und ein weiterer Wärmeaustauscher
12 eingeschaltet.
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In der Reformierungskainmer 9, die ebenso wie die Spaltkammer 5 einen
Ringraum bildet, von dem durchgehenden Heizmantel 6 umgeben und von dem durchgehenden
Zentralrohr 7 durchsetzt ist, werden die restlichen Öldämpfe und Spaltgase in Gegenwart
hochüberhitzten, durch eine Leitung 13 zugeführten Wasserdampfes in der gewünschten
Weise gespalten. Die anfallenden Reformierungsgase ziehen durch eine Leitung 14
über den Wärmeaustauscher 12 zu einer Mischkammer 15 ab. Beim Durchströmen der Wärmeaustauscher
3 und 10 sowie des Teerabscheiders 11 werden die aus der Kammer 5 kommenden Öldämpfe
und Spaltgase so weit gekühlt, daß der in ihnen enthaltene Ölteer auskondensiert.
Die entteerten Spaltgase können durch eine absperrbare Umgangsleitung 16 unmittelbar
ganz oder teilweise in die Gasleitung 14 und umgekehrt die Reformierungsgase aus
dieser Leitung durch eine absperrbare Rückleitung 39 in die Leitung 8 vor Einmündung
in die Kammer 9 eingeführt werden.
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Der anfallende Ölteer kann in beliebiger Teilmenge durch eine Leitung
17 aus dem Prozeß abgezogen werden. In der Regel strömt er durch eine Leitung 18
über den Wärmeaustauscher 10 einem Zerstäuber 19 zu. Dieser versprüht den vorgewärmten
Ölteer in einen als Vergasungskammer dienenden Ringraum 20, der, ähnlich wie die
Ringräume 5 und 9, von einem Heizmantel 21 umgeben und von einem Zentralrohr 22
durchsetzt ist. Gegegebenenfalls kann ein Teilstrom der entstehenden Entgasungsgase
als Trägergas für die Zerstäuberdüse 19 dienen. Von dem Mantel 21 und dem Rohr 22
führt eine Verbindungsleitung 23 zum Heizmantel 6. Dessen Abzugsleitung 24 ist über
einen Wärmeaustauscher 25 an den nicht gezeichneten Kamin angeschlossen.
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Die hochüberhitzten Dampf führende Leitung 13, von der eine Zweigleitung
26 zum Spaltraum 5 führt, ist an eine Hauptdampf leitung 27 angeschlossen. Von
dieser
zweigt eine weitere Leitung 28 ab, in die eine über den Wärmeaustauscher 25 geführte
Luftleitung 29 einmündet. Zur Einleitung des Vergasungsmittels in den Ringraum 20
dient ein Wirbelbrenner 30, der einerseits an die Leitung 29 und andererseits an
eine Zweigleitung 31 der Rohölleitung 2 angeschlossen ist. Durch Verbrennung des
durch Leitung 31 zufließenden Öls mit der aus Leitung 29 kommenden Heißluft entsteht
ein hocherhitztes Rauchgas, das zusammen mit dem durch Leitung 28 zuströmenden Wasserdampf
als Vergasungsmittel in die Vergasungskammer 20 eintritt. Der Heizmantel 21 und
das Zentralrohr 22 sind mit Wirbelbrennern 32 bzw. 33 versehen. die mit der Luftleitung
29 vor Einmündung der Dampfleitung 28 und der Ölleitung 31 in absperrbarer Verbindung
stehen.
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Im Ringraum 20 erfolgt die restlose Vergasung des durch Leitung 18
zugeführten und durch die Düse 19 zerstäubten Ölteers in Gegenwart des durch den
Brenner 30 einströmenden Vergasungsmittels. Die entstehenden Vergasungsgase entweichen
durch eine Leitung 34 in das Zentralrohr 7 und aus diesem durch eine Leitung 35
zur Mischkammer 15. In die Leitung 35 ist ein an die Ölleitung 31 angeschlossener
Wärmeaustauscher 36 eingeschaltet. Im Zentralrohr 7 wird die fühlbare Wärme der
sehr heißen Entgasungsgase zur Aufheizung der Spaltkammer 5 und Reformierungskammer
9 und im Wärmeaustauscher 36 zur Vorwärmung des den Brennern 30, 32 und 33 zufließenden
Rohöls ausgenutzt. Von der Leitung 34 führen nicht gezeichnete absperrbare Zweigleitungen
zu den Kammern 5 und 9. Für die Vergasung des in der Spaltkammer 5 abgesetzten Rußes
kann an Stelle von der neben hochüberhitztem Wasserdampf durch Leitung 26 dasselbe
Brennerprinzip angewendet werden, welches zur Erzeugung des Vergasungsgemisches
dient (Wirbelbrenner 30).
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In der Mischkammer 15 treffen somit das durch Leitung 14 zuströmende
Reforinierungsgas und das durch Leitung 35 eingeführte Vergasungsgas in regelbaren
Mengen zusammen und «,-erden durch eine Leitung 37 als hochwertiges Endgas dem Verbrauchsort
zugeführt. An allen geeigneten Stellen sind in den verschiedenen Leitungen bzw.
an den einzelnen Apparaten Regel- oder Drosselorgane 38 vorgesehen. Durch entsprechende
Einregelung der Brenner 32 und 33 kann man die Menge der Verbrennungsmedien und
dadurch die Temperatur im Heizmantel 21 und dem Zentralrohr 22 bequem einregeln.
Danach richtet sich auch die Temperatur der durch Leitung 23 zum Heizmantel 6 der
Reformierungskammer 9 und Spaltkammer 5 abziehenden Rauchgase, deren Restenthalpie
im Wärmeaustauscher 25 zur Vorwärmung der durch Leitung 29 strömenden Verbrennungsluft
ausgenutzt wird.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anlage bedarf keiner weiteren
Erläuterung. Hervorzuheben ist, daß sowohl der durch Leitung 13 bzw. 26 zugeführte
Sauerstoffträger als auch das durch den Wirbelbrenner 30 eingeleitete Vergasungsmittel
im Gleichstrom mit dem zu behandelnden Gut durch die zugehörigen Apparate geführt
wird. Dabei herrscht in der Reformierungskammer 9 und der Spaltkammer 5 Gegenstrom
und in der Vergasungskammer 20 Gleichstrom zu den gasförmigen Heizmitteln, die durch
indirekte Beheizung der einzelnen Kammern den zur Durchführung der endotberm verlaufenden
Reaktionen erforderlichen restlichen Wärmebarf decken.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig.2 unterszheidet sich von dem vorbeschriebenen
zunächst durch eine bauliche Zusammenfassung der mit 105, 109 und 120 bezeichneten
Spalt-, Reformierungs- und Vergasungskammern. Sie bilden übereinanderliegende Teilräume
eines geschlossenen Turmes, die durch gasdicfite und drucksichere Schleusen 40 gegeneinander
und nach außen abgeschlossen sind. Ferner fehlt jede mittelbare Beheizung der Kammern,
die Zufuhr der erforderlichen äußeren Wärme erfolgt vielmehr durch einen als fluidisierter
Wärmeträger dienenden hocherhitzten feinkörnigen Feststoff. Zur Aufheizung des Wärmeträgers
dient ein gasbefeuerter Schacht 41 mit Ein-und Austragschleusen 42. Der Gasbrenner
43 des Schachtes 41 wird durch eine Zweigleitung 44 der Gasleitung 35 mit einem
kleinen Teilstrom des Entgasungsgases und durch eine Leitung 45 mit vorgewärmter
Verbrennungsluft gespeist. Der im Schacht 41 hocherhitzte fluidisierte Wärmeträger
gelangt durch eine Gabelrutsche 46 teils in die Vergasungskammer 120 und teils in
eine Überhitzungskammer 47, die in die Dampfleitung 13 eingeschaltet ist. Durch
die Schleusen 40 und 42 an den unteren Ausläufen der Rutsche 46 kann das Verhältnis
der beiden Teilmengen geregelt werden. Der die Kammern 120, 109 und 105 nacheinander
im Gleichstrom zu dem aufzuheizenden Medium von oben nach unten durchfließende Wärmeträger
gelangt über eine weitere Gabelrutsche 48 in regelbaren Teilmengen zu einer in die
Leitung 45 eingebauten Lufterhitzungskammer 49 bzw. zu einer an die Dampfleitung
13 angeschlossenen Dampferzeugungs- bzw. Überhitzungskammer 50. Die Kammern 47,
49 und 50 sind mit ähnlichen Ein- und Austragschleusen 42 wie die schachtförmige
Kammer 41 versehen. Eine Fördereinrichtung 51 führt den abgekühlten Wärmeträger
aus diesen Kammern wieder in den Heizschacht 41 zurück. Wenn die Kammer 50 zur Dampferzeugung
dient, fließt ihr aus der Leitung 127 nach Möglichkeit vorgewärmtes Speisewasser
zu. Bei ihrer Verwendung als Dampfüberhitzer führt die Leitung 127 bereits Wasserdampf.
Zwischen den Kammern 47 und 50 ist in die Dampfleitung 13 eine abschaltbare Gegendruckturbine
52 eingebaut, in der je nach den Betriebsverhältnissen ein Teil der Dampfenthalpie
und -spannung ausgenutzt werden kann. Eine von der Leitung 35 abzweigende Leitung
53 dient zur Rückführung einer regelbaren Teilmenge der zur Mischkammer 15 abziehenden
Vergasungsgase in die Spaltkammer 105.
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Die Absperr- und Drosselorgane in den einzelnen Leitungen bzw. an
den verschiedenen Apparaten sind in Fig.2 der Einfachheit halber weggelassen. An
Stelle der Schleusen 40 und 42 können auch geeignete mechanische und/oder hydraulische
Ein- und Austrageinrichtungen für den fluidisierten Wärmeträger vorgesehen werden.
Ebenso können die von dem Wärmeträger durchflossenen Räume geeignete Einbauten zur
Verlangsamung der Fallgeschwindigkeit und zur Zwangsführung des Wärmeträgers erhalten.
Die Gabelrutschen 46 und 48 dienen zugleich als Zwischenbunker, so daß man im Bedarfsfall
in die angeschlossenen Kammern eine größere Wärmeträgermenge einführen kann als
den Gabelrutschen von oben her zuströmt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2
ist in den Kammern 105, 109 und 120 Gleichstrom zwischen dem aufzuheizenden Medium
und dem mit ihm in unmittelbare Berührung kommenden fluidisierten Wärmeträger gewählt,
dem gegebenenfalls geeignete Katalysatoren zur Beschleunigung der einzelnen Reaktionen
zugesetzt werden können. An Stelle von Gleich- oder Gegenstrom kann bei beiden Ausführungsbeispielen
unter entsprechender konstruktiver
Umbildung der einzelnen Apparate
auch Querstrom zwischen dem aufzuheizenden Medium und dem Heizmittel vorgesehen
werden. Die Vergasung des Rohöls kann je nach den Erfordernissen des Einzelfalles
unter gewöhnlichem, vermindertem oder erhöhtem Druck erfolgen. Durch sinnvolle Führung
des Heizmittels durch die drei Stufen der Anlage unter Ausnutzung seiner Restenthalpie
zur Vorwärmung kalter Medien und durch die Ausnutzung der fühlbaren Wärme der entstehenden
Zwischen- und Enderzeugnisse der Ölvergasung ist der Wärmeverbrauch der Gesamtanlage
ungewöhnlich gering. Die unvermeidlichen Wärmeverluste können durch gute Isolierung
der einzelnen Apparate und Leitungen auf ein Mindestmaß gesenkt werden. Wesentlich
ist ferner die große Anpassungsfähigkeit der Gesamtanlage an die Bedürfnisse des
Einzelfalles, so daß man ohne bauliche Veränderungen und beliebigen Rohölen stets
ein hochwertiges Endgas erhalten kann.
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Die Verwendung eines feinkörnigen Feststoffes zur unmittelbaren Aufheizung
der in den einzelnen Kammern befindlichen Medien gewährt den Vorteil, daß sich das
betreffende Medium mit dem Wärmeträger sehr innig mischt. Infolgedessen ist eine
Zerstäubung des Rohöls in die Verdampfungskammer bzw. des teerigen Kondensats in
die Entgasungskammer nicht unbedingt erforderlich. Die Zerstäuberdüsen 4 und 19
können daher durch einfache Stutzen 104 bzw. 119 ersetzt werden, wie Fig.2 zeigt.
Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die zur Konvertierung der Vergasungsgase aus
Stufe 20 bzw. 120 bzw. auch der Reformierungs- und Spaltgase aus den Stufen 9 bis
5 bzw. 109 und 105 dienenden Einrichtungen der Übersicht halber fortgelassen. Sie
können an geeigneter Stelle in die Gasableitungen dieser Stufen eingeschaltet werden.