WO2017050703A1 - Reactor for thermally cracking hydrocarbons, and corresponding method - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a reactor for the thermal cracking of hydrocarbons.
  • the reactor has a plasma section in which a plasma torch with at least two electrodes is arranged.
  • the plasma torch has an inlet for plasma gas and is configured to generate a plasma with the plasma gas in a plasma region.
  • the plasma portion has at least one inlet opening for Koh ⁇ bons on to cleave the hydrocarbons thermally by heat of the plasma.
  • the invention relates to a corresponding method.
  • the scissile hydrocarbons are preferred at room temperature and normal pressure ⁇ gaseous hydrocarbons, white ⁇ ter preferably Cl to C4 hydrocarbons, especially before Trains t ⁇ methane (CH 4). These can also be natural gas or biogas.
  • the thermal cracking of hydrocarbons is well known.
  • the cleavage is carried out in a mixture of solid carbon, which can develop into particles of different size and quality, which (Carbon Black) are also known as carbon black or Indust ⁇ rieruß, and gaseous hydrogen.
  • Carbon Black are also known as carbon black or Indust ⁇ rieruß, and gaseous hydrogen.
  • a heat source plasma torches are regularly used, as in ⁇ example, a Kvaerner plasma torch, which can put ⁇ elec ⁇ cal energy efficiently in thermal energy of a gas ⁇ .
  • the electrodes used are exposed to high temperatures and an aggressive atmosphere, which limits the possible selection of materials for the electrodes.
  • the electrodes are inevitably eroded by the arc, which is particularly important in a continuous operation of importance.
  • electrodes made of graphite or similar highly carbonaceous materials that are conductive and high temperature stable.
  • graphite electrodes ⁇ contaminate not by their erosion the products of thermal cracking by further chemical elements and are ver ⁇ tively cheap.
  • Hydrogen and carbon derived in a Kvaerner reactor can be used in a second step in a C02 converter using the Boudouard reaction with the addition of CO 2 and in an H 2 O converter using the heterogeneous Water Gas Shift reaction. be implemented with the addition of water in synthesis gas.
  • This synthesis gas is reacted, for example, by the above Fischer-Tropsch method to liquid fuel.
  • a system and an installation of the type mentioned are described in ⁇ example in WO 2013/091879 AI.
  • the heat input into the gaseous hydrocarbons can result in a continuous operation to a strong deposition of carbon on the electrodes and in the region of the electrodes result.
  • hydrogen is regularly as the plasma gas ver turns ⁇ in which no fouling occurs by the hydrogen which typical electrode materials such as graphite does not oxidize in the hot environment.
  • noble gases can be used as plasma gas.
  • the invention is based on the object to provide a reactor and a method of the type mentioned above, which allows an efficient and cost-effective splitting of hydrocarbons such as carbon in hydrogen and carbon.
  • the reactor according to the invention achieves this object in that the reactor has a plasma section in which a plasma separator with at least two electrodes is arranged, wherein the plasma burner has an inlet for plasma gas and is adapted to generate a plasma with the plasma gas in a plasma region ,
  • the plasma portion has Minim ⁇ least one inlet opening for hydrocarbons to hydrocarbons by heat of the plasma thermally spal ⁇ th.
  • the reactor has at least two equal ⁇ like channel sections, which pass from the plasma portion from ⁇ , wherein about the similar channel sections the thermally cracked hydrocarbons are wegleitbar from a center of the plasma section.
  • the proposed reactor with several similar channel sections allows for good mixing of hot plasma gas with the hydrocarbons to be thermally cracked, resulting in rapid heat transfer to the hydrocarbons.
  • This allows the hydrocarbons, particularly the methane ⁇ are cleaved very quickly and effectively.
  • the hot aerosol of carbon and water ⁇ material from the cleaved hydrocarbons is again promoted after a short and minimal retention time from the very hot plasma region, which has a positive effect on the formation of the smallest possible carbon particles. This is achieved by deflecting the hydrocarbon stream by an angle in the range of 45 ° to 90 °.
  • the A ⁇ line of hydrocarbons in countercurrent to the plasma gas provides good mixing, but leads, as well as arrival particular conventional solutions to long residence time of carbon in a very hot plasma region.
  • this is due to the complete reversal of the direction of the hydrocarbons introduced.
  • a deflection of advantageous 90 ° can be achieved.
  • the plasma section is the part of the reactor where the plasma region is located. Continue to be the center of the Plasma section in the axis or at the intersection of zentra ⁇ len longitudinal axes of the channel sections. In advantageous embodiments with a plasma torch, the center of the plasma section lies in the main axis of the electrodes. In EMBODIMENTS having a plurality of plasma torches is the center of the plasma portion usually in the middle between the Plas ⁇ mabrennern.
  • the channel sections are tubular or have a circular cross-section.
  • the inlet port or ports for hydrocarbons are arranged equidistant from two channel sections.
  • the equidistant arrangement of the inlet opening (s) allows the most uniform possible introduction of the gas flow or Aero ⁇ solstrom in the channel sections.
  • two or both channel portions have a common axis up, ie both channel portions divert the thermally cracked hydrocarbons in opposite directions, is or are intake opening (s) in a plane perpendicular to the axes of the channel sections and centrally between the channel sections.
  • the inlet opening (s) are equidistant from two channel sections, i. it is not necessary that one or each inlet opening is equidistant to more than two channel sections.
  • the inlet port or ports are aligned with the plasma region.
  • a corresponding orientation allows a good and fast mixing and heating of the introduced hydrocarbons in the plasma or in the plasma region, whereby the decomposition of the hydrocarbons can be achieved with short residence times of the individual masses in the plasma region, which is advantageous to the particle size of the carbon from ⁇ acts. As small as possible carbon particles are due to the good surface-to-mass ratio, especially for further processing or reaction.
  • a plurality of hydrocarbon inlet ports are arranged in a plane midway between two channel sections.
  • a plurality of inlet ports for hydrocarbons in a plane achieves a very good and fast fürmi ⁇ research and thus heat transfer to the hydrocarbons, there are injected from different directions at the same time in the plasma region hydrocarbons.
  • the inlet openings are arranged annularly the channel sections Zvi ⁇ rule in the plane in the center or the center of the plasma section, thereby the plasma region in the region of the ring of walls of the plasma portion through a respective gas flow of the hydrocarbons can be kept, so that the walls of Plasmaab ⁇ section are less thermally stressed.
  • the inlet ports for hydrocarbons are disposed in the ring, preferably at equal intervals, i. evenly distributed over the circumference of the plasma section.
  • each channel section to a Ein Appendix ⁇ rich for CO2.
  • the introduction region for carbon dioxide allows a chemical conversion of the carbon of the ge ⁇ split hydrocarbons in CO (carbon monoxide) in a Boudouard reaction, so that synthesis gas, ie a mixture of hydrogen and carbon monoxide, can be generated efficiently from example ⁇ example natural gas and carbon dioxide.
  • the inlet openings are provided for the introduction of CO2.
  • Multiple inflow openings allow uniform mixing and thus a Boudouard reaction over a short distance in the channel section.
  • the inlet openings are arranged for the introduction of CO2 in an introduction plane, more preferably annularly, be ⁇ particularly preferably in an arrangement with equal intervals. It is advantageous if the distance of the lead-in area for CO2 from the center of the plasma portion of 0.30 m to 1.5 m, preferably 0.3 m before ⁇ amounts to 1.0 m. As a result, an advantageous for the Boudouard reaction temperature distribution can be adjusted.
  • each channel portion to a Ein Appendix.
  • a heterogeneous water gas conversion reaction of the thermally cracked hydrocarbons is possible.
  • the combination ⁇ nation of the Boudouard reaction and the water gas shift reaction in order to control the composition of the synthesis gas. This is especially true in order to adjust the ratio of CO and H2 as desired.
  • the distance of the introduction region for H2O from the center of the plasma section is 0.3 m to 2.5 m, preferably 0.5 m to 1.5 m.
  • the introduction ranges for CO2 and for H2O overlap. In an advantageous embodiment, it may be the distance between the initiation levels for CO2 and for H2O 0 m.
  • the proposed reactor with two or more than two same-shaped channel sections allows a simple constructional solution of the reactor ⁇ ANPAS to different requirements for the process design with initiation regions for Kohlenstoffdi- oxide and / or water through the change of the distances.
  • This is in particular given in tubular channel sections and introduction areas with annularly arranged inflow openings.
  • the introduction regions have a plurality of inflow openings, wherein the inflow openings are distributed over the circumference of the respective channel section, more preferably evenly distributed.
  • the inlet openings for the introduction of H 2 O are provided. Multiple nozzles allow uniform mixing and thus a water gas conversion reaction over a short distance in the duct section.
  • the inlet openings for the introduction of H 2 O are arranged in an introduction plane, more preferably annular, particularly preferably in an arrangement with equal intervals.
  • the plasma torch has an inner electrode and an outer, annular electrode, wherein the Plasmabren ⁇ ner between the outer and inner electrode has an annular inlet for plasma gas.
  • the inner electrode preferably has an inlet port for hydrocarbons.
  • An inlet port for hydrocarbons in the inner electrode allows a high ratio of introduced hydrocarbons to plasma gas used.
  • the plasma region may be in the center of the plasma section of the reactor verla ⁇ siege from the plasma torch having such an electrode.
  • two plasma torches are arranged in the plasma section, wherein the plasma torches are arranged equidistant to the center of the plasma section.
  • This arrangement is particularly suitable for a scaling of the plasma power, which is advantageous especially for two channel sections with a common axis.
  • three plasma torches are arranged in the plasma section, which are arranged equidistantly to the center of the plasma section, wherein the reactor has three channel sections.
  • the channel sections go preferably at a distance from the center of the plasma portion, which is at least 1 m is greater than the distance of the last lead-in area, in Pro ⁇ dukt fürsabête over.
  • the product line sections serve to facilitate transfer to further processes, such as a Fischer-Tropsch process. In this case, the plurality of product line sections can be merged. It is also possible that a deflection and thus it follows an approach to the center of the plasma section ⁇ , although this does not imply a direct and complete return to the plasma section.
  • the transition to envisionlei ⁇ processing sections allows easier forwarding at lower temperatures without costly cooling of the section.
  • a corresponding method for the thermal cleavage of hydrocarbons is proposed to achieve the object of the invention, wherein a plurality of inlet openings for hydrocarbons are provided in a reactor of the aforementioned type.
  • at least two inputs Lassö Maschinenen operated with variable and divergent pressures and / or mass flows of hydrocarbons introduced. This allows centering of the plasma region in the plasma section of the reactor, so that the hottest region is arranged as equal as possible to all walls of the reactor in order to minimize the thermal load on the reactor walls.
  • a rectangular deflection of thermal cracked hydrocarbons preferably two channel sections can also join the channel sections he ⁇ follow centrally, minimizing wall effects and provides a good starting situa ⁇ tion for subsequent process steps.
  • a detection of the position of a Plas ⁇ ma Kunststoffs in the plasma portion and a rules of pressures and / or mass flows of hydrocarbons at at least two inlet openings be such that the plasma region is shifted in the center of the plasma portion.
  • the detection of the position of the plasma region may ⁇ example be effected optically by means of a camera which is arranged in a channel portion.
  • the data captured by the camera are electronically evaluated in advantageous embodiments and fed into a control loop.
  • the control ⁇ circle controls the introduction of at least, preferably meh ⁇ reren or all inlet openings for hydrocarbons, by adjusting the pressure and / or mass flow.
  • the plasma range shifts due to the changed flow conditions, which is detected according to the method and serves to further adapt the pressures and / or mass flows.
  • the hot plasma area can be positioned as centrally as possible with even spacing to all walls become. This can be advantageously carried out at from ⁇ an annular array of inlet openings in the plasma portion in particular.
  • Advantageous embodiments of the invention are shown schematically in the following figures. It shows
  • Fig. 1 shows a reactor for the cleavage of hydrocarbons
  • 3 shows a plasma section in cross section
  • 4 shows a plasma section in cross section
  • Fig. 6 shows a reactor with two plasma torches
  • Fig. 7 shows a reactor with four channel sections
  • FIG. 8 shows a reactor with three plasma torches; and FIG. 9 shows a reactor with two channel sections and eight plasma torches.
  • the reactor 1 shows an advantageous embodiment of a reactor 1 for the cracking of hydrocarbons 10 and for the production of synthesis gas 60 is shown schematically in a cross section.
  • the reactor 1 has a plasma section 2, in which a plasma torch 3 is arranged.
  • the plasma torch 3 has an inlet 4 for plasma gas 30, which is preferably ⁇ as hydrogen or synthesis gas.
  • the inlet 4 is aligned and divided ⁇ art, that the electrodes of Plas ⁇ mabrenners 3 of the plasma gas are surrounded 30 and a greatest possible screening of the electrodes from other gases which are not plasma gas 30 to reach.
  • the plasma torch 3 in this exemplary embodiment is a plasma torch 3 of the type Kva ner with a central electrode which is annularly surrounded by a second electrode.
  • the electric discharge between the electrodes ER follows in the annular opening which is ge down ⁇ oriented in the embodiment of FIG. 1. From the annular opening of the plasma torch 3 plasma gas flows 30. Furthermore, the annular electrode from the outside of plasma gas 30 can be flowed around. During operation, a plasma region 5 results, which is characterized by a hot thermal plasma.
  • the plasma pressure in the region of the ends of the electrodes is about 20 bar.
  • the gas temperature immediately behind the plasma is preferably 2,500-4,500 K, more preferably 3,000-4,500 K.
  • an inlet opening 6 for hydrocarbons 10 is opposite to the plasma torch 3, in the embodiment of FIG.
  • the plasma gas 30 heated by the electric discharge between the electrodes is mixed with hydrocarbons 10 introduced at the inlet port 6 in the plasma region 5.
  • the resulting strong heating of the Plas ⁇ magases 30 leads to a decomposition of the hydrocarbons 10 in the plasma into carbon and hydrogen.
  • the hydrocarbons 10 are heated by a heat ⁇ transfer from the plasma gas 30 so far that the coals ⁇ hydrogens 10 are thermally split and form an aerosol of hydrogen and carbon.
  • the plasma torch 3, the plasma region 5 and the inlet port 6 for hydrocarbons 10 are arranged in the plasma section 2 of the reactor 1.
  • the resulting aerosol of the ther ⁇ mically split hydrocarbons 10 is passed from the plasma section 2 in two similar channel sections 7, which depart from the plasma section 2 of the reactor 1.
  • Similar channel sections 2 is in this context ⁇ hang that all channel sections for a same or comparable mass flow of gas or aerosol are established, that is have a same cross section or cross-sectional profile.
  • the introduced into the channel sections 7 aerosol of hydrogen and carbon in a further reaction to synthesis gas 60 that is, a mixture of CO and H 2 , implemented.
  • carbon dioxide CO 2 40 can be supplied in an inlet section 11, which is reacted with the present carbon in a Boudouard reaction to CO.
  • water H 2 O 50 can be introduced in a further introduction region 12 in order to carry out a water gas shift reaction (water gas shift reaction).
  • Both reactions serve to produce synthesis gas 60 from the split hydrocarbons 10, the synthesis gas 60 being conveyed via the product line sections 13 in a further processing stage, which is not shown in FIG. 1, for example in a Fischer-Tropsch process. go to fuels, including diesel, gasoline or kerosene, further processed. Consequently, gaseous hydrocarbon ⁇ materials 10, in particular natural gas, at low energy cost can be further processed to form at room temperature and normal pressure liquid hydrocarbons.
  • the distance Dl of the introduction area 11 for CO2 40 from the center of the plasma section 8 is 0.3 m to 1.5 m.
  • the distance D2 of the introduction region 12 for H2O 50 from the center of the plasma section 8 is 0.3 m to 2.5 m.
  • Fig. 2 shows a reactor 1 in a plan view.
  • the reactor
  • FIG. 1 has an annular arrangement of inlet openings 6, which are arranged equidistant from two channel sections 7 in a plane 9.
  • the plasma torch 3 is shown in FIG. 2 in a schematic plan view.
  • the inflow openings are each in a plane 14, 16 which each have in the two channel sections 7 have the same distance to the center of the plasma portion 8 on ⁇ , see Fig. 3.
  • the channel sections 7 of the exemplary embodiment of Fig. 2 have a common axis on, so that the thermally split hydrocarbons 10 in equal parts in opposite directions from the plasma section
  • FIG. 3 the plasma section 2 of the embodiment of FIG. 2 is shown in a section in the plane 9.
  • Der Plas ⁇ mabrenner 3 in this embodiment, by a plasma gas stream 30, which along the outside of the plasma torch 3 flows, protected from contact with hydrocarbons.
  • plasma gas 30 is used in the plasma torch 3 to generate a plasma in the plasma region 5.
  • Several Einlassöff ⁇ calculations 6 allow the introduction of hydrocarbons 10, wherein the inlet ports are directed 6 in this embodiment, on the plasma region. 5
  • Fig. 3 is particularly suitable for a va riable ⁇ introduction of hydrocarbons 10 at the inlet openings 6, to shift the plasma region 5 as possible in the center of the plasma portion 8. Furthermore, the annular arrangement of the inlet openings 6 can be used for successful regulation of the position of the plasma region 5 by regulating the pressures and mass flows at the inlet openings 6.
  • FIG. 4 the embodiment of Fig. 3 is supplemented by an additional inlet opening 6 for hydrocarbons, wel ⁇ surface is centrally ⁇ belongs to the inner electrode of the plasma torch shown schematically simplifies 3 of a Kvaerner type.
  • the flow of plasma gas 30 is not shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a section of a reactor 1.
  • the Plasmaab- section 2 of the reactor in contrast to the previous embodiments not have the same cross section as the outbound channel sections 7, but has a kugelför ⁇ -shaped or spherical or hemispherical or semi-spherical expression in the plasma torch 3 opposite side.
  • FIG. 6 shows a reactor 1 with two plasma torches 3, wherein the inlet openings 6 are arranged in the center of the plasma section 2 between the two plasma torches 3.
  • a reactor 1 is shown, which has four mutually perpendicular channel sections 7, which depart from the plasma section 2.
  • four plasma torches 3 are arranged equidistantly to the center of the plasma section 8.
  • the inlet openings 6 for hydrocarbons 10 are indicated in an annular arrangement. There are in the embodiment, two annular arrangements of inlet openings 6, which intersect.
  • the inlet openings 6 are each equidistant from two of the four Kanalab ⁇ sections 7, to allow a uniform distribution of the split hydrocarbons 10 from the plasma region 2 in the gleichar ⁇ term channel sections 7.
  • FIG. 8 shows an advantageous exemplary embodiment with three channel sections 7 and three plasma torches 3 of the Kvaerner type.
  • the three plasma torches are each arranged equidistant from the center of the plasma section 8 on a circle.
  • the inlet openings 6 are arranged individually equidistant from each of two of the three channel sections 7.
  • Fig. 9 is another embodiment with two channel ⁇ sections 7, which have a common axis, Darge ⁇ represents.
  • eight plasma torches 3 are arranged in the plasma section 2 in this embodiment. These allow a large thermal power of the plasma and thus a high mass ⁇ stream, which can be used to an efficient process. At the same time negative wall effects, such as wise deposits are reduced.
  • four, six or ten plasma torches 3 may be provided. An even number of plasma torches 3 is advantageous in order to achieve a uniform discharge into both channel sections 7.
  • several plasma torches 3 may be arranged in the plane between two channel sections 7 on the basis of the exemplary embodiment of FIG. 2.
  • the plane 9 in this case is advantageously an introduction of hydrocarbon ⁇ materials 10 having a plurality of distributed over the periphery of the plasma portion 2 inlet openings 6.
  • an odd number of plasma torches 3, and in particular three plasma burners 3, with the advantages already described are used.
  • the use of electrical energy for the conversion into the necessary thermal energy is advantageous since, in particular, regenerative energy sources can be used for this purpose.
  • the plasma is generated by a plasma torch 3 having two, three or more rod-shaped electrodes or a plasma torch 3 in the form of a so-called Kvaerner plasma torch.
  • the electrical discharge can be carried out by DC or AC voltage and pulsed.
  • the hydrocarbons are CH 4 and methane, respectively.
  • the hydrocarbons used are gaseous hydrocarbons at room temperature and atmospheric pressure, more preferably Trains t Cl to C4 hydrocarbons, preferably CH. 4 OF INVENTION ⁇ dung according to, for example, natural gas or biogas can be used as coal ⁇ hydrogen source.
  • the term synthesis gas 60 denotes a gas mixture with the main components hydrogen and carbon monoxide.

Abstract

The invention relates to a reactor (1) for thermally cracking hydrocarbons (10). The reactor (1) has a plasma section (2) in which a plasma burner (3) with at least two electrodes is arranged. The plasma burner (3) has an inlet (4) for plasma gas (30) and is designed to generate a plasma in a plasma region (5) using the plasma gas (30). The plasma section (2) has at least one inlet opening (6) for hydrocarbons (10) in order to thermally crack the hydrocarbons (10) by means of the heat of the plasma. The reactor (1) has at least two similar channel sections (7) which lead out from the plasma section (2), and the thermally cracked hydrocarbons (10) can be conducted away from the center of the plasma section (8) via the similar channel sections (7). The invention further relates to a corresponding method.

Description

Reaktor zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen und korrespondierendes Verfahren  Reactor for thermal cracking of hydrocarbons and corresponding process
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen. Der Reaktor weist einen Plasmaabschnitt auf, in dem ein Plasmabrenner mit mindestens zwei Elektroden angeordnet ist. Der Plasmabrenner weist einen Ein- lass für Plasmagas auf und ist dazu eingerichtet, ein Plasma mit dem Plasmagas in einem Plasmabereich zu erzeugen. Der Plasmaabschnitt weist mindestens eine Einlassöffnung für Koh¬ lenwasserstoffe auf um die Kohlenwasserstoffe durch Wärme des Plasmas thermisch zu spalten. Weiterhin betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Verfahren. The invention relates to a reactor for the thermal cracking of hydrocarbons. The reactor has a plasma section in which a plasma torch with at least two electrodes is arranged. The plasma torch has an inlet for plasma gas and is configured to generate a plasma with the plasma gas in a plasma region. The plasma portion has at least one inlet opening for Koh ¬ bons on to cleave the hydrocarbons thermally by heat of the plasma. Furthermore, the invention relates to a corresponding method.
Die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe sind bevorzugt bei Raum¬ temperatur und Normaldruck gasförmige Kohlenwasserstoffe, wei¬ ter bevorzugt Cl bis C4-Kohlenwasserstoffe, besonders bevor¬ zugt Methan (CH4) . Diese können auch Erdgas oder Biogas sein. The scissile hydrocarbons are preferred at room temperature and normal pressure ¬ gaseous hydrocarbons, white ¬ ter preferably Cl to C4 hydrocarbons, especially before Trains t ¬ methane (CH 4). These can also be natural gas or biogas.
Die thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen ist allgemein bekannt. Die Spaltung erfolgt in ein Gemisch aus festem Kohlenstoff, der sich zu Partikeln unterschiedlicher Größe und Eigenschaft entwickeln kann, welche auch als Ruß bzw. Indust¬ rieruß (Carbon Black) bekannt sind, und gasförmigem Wasserstoff. Als Wärmequelle werden regelmäßig Plasmabrenner, wie bei¬ spielsweise ein Kvaerner-Plasmabrenner, eingesetzt, die elekt¬ rische Energie effizient in thermische Energie eines Gases um¬ setzen können. Die eingesetzten Elektroden sind dabei hohen Temperaturen und einer aggressiven Atmosphäre ausgesetzt, was die mögliche Materialauswahl für die Elektroden einschränkt. Die Elektroden werden durch den Lichtbogen zwangsläufig erodiert, was insbesondere bei einem Dauerbetrieb von Bedeutung ist. Allgemein geeignet sind Elektroden aus Graphit oder ähn- liehen stark kohlenstoffhaltigen Materialien, die leitfähig und hochtemperaturstabil sind. Zudem verunreinigen Graphit¬ elektroden durch ihre Erosion nicht die Produkte der thermischen Spaltung durch weitere chemische Elemente und sind ver¬ gleichsweise günstig. The thermal cracking of hydrocarbons is well known. The cleavage is carried out in a mixture of solid carbon, which can develop into particles of different size and quality, which (Carbon Black) are also known as carbon black or Indust ¬ rieruß, and gaseous hydrogen. As a heat source plasma torches are regularly used, as in ¬ example, a Kvaerner plasma torch, which can put ¬ elec ¬ cal energy efficiently in thermal energy of a gas ¬ . The electrodes used are exposed to high temperatures and an aggressive atmosphere, which limits the possible selection of materials for the electrodes. The electrodes are inevitably eroded by the arc, which is particularly important in a continuous operation of importance. Generally suitable are electrodes made of graphite or similar highly carbonaceous materials that are conductive and high temperature stable. In addition, graphite electrodes ¬ contaminate not by their erosion the products of thermal cracking by further chemical elements and are ver ¬ tively cheap.
In einem Kvaerner-Reaktor gewonnener Wasserstoff und Kohlenstoff kann in einem zweiten Schritt in einem C02-Konverter, der die Boudouard-Reaktion nutzt, unter Zusatz von C02 und in einem H20-Konverter, der die heterogene Water Gas Shift-Reak- tion nutzt, unter Zusatz von Wasser in Synthesegas umgesetzt werden . Hydrogen and carbon derived in a Kvaerner reactor can be used in a second step in a C02 converter using the Boudouard reaction with the addition of CO 2 and in an H 2 O converter using the heterogeneous Water Gas Shift reaction. be implemented with the addition of water in synthesis gas.
Die Herstellung als Treibstoffe geeigneter flüssiger Kohlenwasserstoffe aus Kohle und/oder gasförmigen Kohlenwasserstof- fen ist bekannt. Eines der ältesten bekannten Verfahren ist das Fischer-Tropsch-Verfahren ausgehend von sogenanntem Synthesegas (Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid) . The production as fuels of suitable liquid hydrocarbons from coal and / or gaseous hydrocarbons fen is known. One of the oldest known processes is the Fischer-Tropsch process starting from so-called synthesis gas (mixture of hydrogen and carbon monoxide).
Dieses Synthesegas wird beispielsweise nach dem oben genannten Fischer-Tropsch-Verfahren zu Flüssigtreibstoff reagieren gelassen . Ein System und eine Anlage eingangs genannter Art sind bei¬ spielsweise in WO 2013/091879 AI beschrieben. This synthesis gas is reacted, for example, by the above Fischer-Tropsch method to liquid fuel. A system and an installation of the type mentioned are described in ¬ example in WO 2013/091879 AI.
Es ist ebenfalls bereits bekannt, den Wasserstoffanteil von Synthesegas durch bevorzugt thermische Aufspaltung von Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff zu gewinnen. Der erforderliche Energieeintrag kann in einem sogenannten Kvaerner-Reaktor durch ein mittels elektrischer Energie erzeugtes Plasma erfol¬ gen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn überschüssige elektrische Energie beispielsweise aus regenerativen Quellen zur Verfügung steht, die sich auf diese Art und Weise vorteil¬ haft in chemische Energie und letztendlich gebunden einem Treibstoff umsetzen lässt. Die initiale Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen im Kvaerner- Reaktor unter Zufuhr regenerativ erzeugter elektrischer Energie und der im zweiten Schritt erfolgende Einsatz von Kohlendioxid bewirkt, dass die C02-Bilanz so erzeugten Flüssigtreib¬ stoffs wesentlich vorteilhafter ist als die von Treibstoff auf Mineralölbasis. It is also already known to recover the hydrogen content of synthesis gas by preferably thermal decomposition of methane into carbon and hydrogen. The required energy can SUC ¬ gene in a so-called Kvaerner reactor by a signal generated by means of electrical energy plasma. This is particularly advantageous when excess electrical energy is available, for example, from renewable sources, which in this way advantageous ¬ way in chemical energy and ultimately bound to convert a fuel. The initial splitting of hydrocarbons in the Kvaerner reactor with the supply of regeneratively generated electrical energy and the use of carbon dioxide in the second step causes the CO 2 balance so produced Flüssigstoff ¬ material is much more advantageous than that of fuel based on mineral oil.
Die Wärmeeinbringung in die gasförmigen Kohlenwasserstoffe kann in einem Dauerbetrieb zu einer starken Ablagerung von Kohlenstoff auf den Elektroden sowie im Bereich der Elektroden zur Folge haben. Ein Phänomen, welches als „fouling" oder auch „carbon fouling" bekannt ist. Fouling kann zu Kurzschlüssen, erheblicher Reduktion des freien Querschnitts für den Gasstrom und unkontrollierten, ggf. auch kurzfristigen, Veränderungen der Elektrodenform durch lose angelagerte Kohlenstoffpartikel führen, welche die Stabilität des Verfahrens erheblich stören. Dementsprechend wird regelmäßig Wasserstoff als Plasmagas ver¬ wendet, bei welchem kein Fouling durch den Wasserstoff auftritt, welcher typische Elektrodenmaterialien wie Graphit in der heißen Umgebung nicht oxidiert. Alternativ können auch Edelgase als Plasmagas eingesetzt werden. The heat input into the gaseous hydrocarbons can result in a continuous operation to a strong deposition of carbon on the electrodes and in the region of the electrodes result. A phenomenon known as "fouling" or "carbon fouling". Fouling can lead to short circuits, considerable reduction of the free cross section for the gas flow and uncontrolled, possibly even short-term, changes in the electrode shape due to loosely deposited carbon particles, which significantly disturb the stability of the process. Accordingly, hydrogen is regularly as the plasma gas ver turns ¬ in which no fouling occurs by the hydrogen which typical electrode materials such as graphite does not oxidize in the hot environment. Alternatively, noble gases can be used as plasma gas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Reaktor und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. der eine effiziente und kostengünstige Aufspaltung von Kohlen- Wasserstoffen wie beispielsweise Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff ermöglicht. The invention is based on the object to provide a reactor and a method of the type mentioned above, which allows an efficient and cost-effective splitting of hydrocarbons such as carbon in hydrogen and carbon.
Der erfindungsgemäße Reaktor löst diese Aufgabe dadurch, dass der Reaktor einen Plasmaabschnitt aufweist in dem ein Plasmab- renner mit mindestens zwei Elektroden angeordnet ist, wobei der Plasmabrenner einen Einlass für Plasmagas aufweist und dazu eingerichtet ist, ein Plasma mit dem Plasmagas in einem Plasmabereich zu erzeugen. Der Plasmaabschnitt weist mindes¬ tens eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe auf um die Kohlenwasserstoffe durch Wärme des Plasmas thermisch zu spal¬ ten. Erfindungsgemäß weist der Reaktor mindestens zwei gleich¬ artige Kanalabschnitte auf, welche von dem Plasmaabschnitt ab¬ gehen, wobei über die gleichartigen Kanalabschnitte die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe von einem Zentrum des Plasmaabschnitts wegleitbar sind. The reactor according to the invention achieves this object in that the reactor has a plasma section in which a plasma separator with at least two electrodes is arranged, wherein the plasma burner has an inlet for plasma gas and is adapted to generate a plasma with the plasma gas in a plasma region , The plasma portion has Minim ¬ least one inlet opening for hydrocarbons to hydrocarbons by heat of the plasma thermally spal ¬ th. According to the invention, the reactor has at least two equal ¬ like channel sections, which pass from the plasma portion from ¬, wherein about the similar channel sections the thermally cracked hydrocarbons are wegleitbar from a center of the plasma section.
Der vorgeschlagene Reaktor mit mehreren gleichartigen Kanalabschnitten ermöglicht eine gute Vermischung von heißem Plasmagas mit den thermisch zu spaltenden Kohlenwasserstoffen, wodurch eine schnelle Wärmeübertragung auf die Kohlenwasserstoffe erfolgt. Hierdurch können die Kohlenwasserstoffe, ins¬ besondere Methan, sehr schnell und effektiv gespalten werden. Weiterhin wird das heiße Aerosol aus Kohlenstoff und Wasser¬ stoff aus den gespaltenen Kohlenwasserstoffen auch wieder nach kurzer und möglichst minimaler Verweildauer aus dem sehr heißen Plasmabereich gefördert, was sich positiv auf eine Bildung von möglichst kleinen KohlenstoffPartikeln auswirkt. Dies wird erreicht durch das Ablenken des KohlenwasserstoffStroms um ei¬ nen Winkel im Bereich von 45° bis 90°. Insbesondere die Ein¬ leitung von Kohlenwasserstoffen im Gegenstrom zum Plasmagas ermöglicht eine gute Durchmischung, führt aber, wie auch an- dere übliche Lösungen, zu langen Verweilzeiten von Kohlenstoff in einem sehr heißen Plasmabereich. Im Fall der Gegenstromein- leitung ist dies durch die vollständige Richtungsumkehr der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe bedingt. Durch die Einführung von mehreren Kanalabschnitten, welche das Aerosol zu gleichen Teilen weiterleiten, kann eine Ablenkung von vorteilhaften 90° erreicht werden. Es gibt somit einen großen Querschnitt, der zur Ableitung des heißen Aerosols zur Verfügung steht, was ebenfalls kurze Verweilzeiten und damit geringe Partikelgrößen ermöglicht . The proposed reactor with several similar channel sections allows for good mixing of hot plasma gas with the hydrocarbons to be thermally cracked, resulting in rapid heat transfer to the hydrocarbons. This allows the hydrocarbons, particularly the methane ¬ are cleaved very quickly and effectively. Furthermore, the hot aerosol of carbon and water ¬ material from the cleaved hydrocarbons is again promoted after a short and minimal retention time from the very hot plasma region, which has a positive effect on the formation of the smallest possible carbon particles. This is achieved by deflecting the hydrocarbon stream by an angle in the range of 45 ° to 90 °. In particular, the A ¬ line of hydrocarbons in countercurrent to the plasma gas provides good mixing, but leads, as well as arrival particular conventional solutions to long residence time of carbon in a very hot plasma region. In the case of countercurrent introduction, this is due to the complete reversal of the direction of the hydrocarbons introduced. Through the introduction of several channel sections, which forward the aerosol in equal parts, a deflection of advantageous 90 ° can be achieved. There is thus a large cross-section which is available for the discharge of the hot aerosol, which also allows short residence times and thus small particle sizes.
Weiterhin erreicht das Abgehen von mehreren Kanalabschnitten, dass die Wände des Plasmaabschnitts im Vergleich zu herkömmli¬ chen linearen Reaktoren weniger Oberfläche aufweisen, die mit hohen Temperaturen belastet sind, da der heiße Gasstrom bzw. Aerosol nach mehreren Seiten abgeleitet werden kann. Zudem ergeben sich keine Totvolumina im Reaktor, in denen sich Material, wie agglomerierte Kohlenstoffpartikel , ablagern können oder heiße Gasströme zirkulieren und die Reaktorwände angrei¬ fen können. Furthermore, the departure of several channel sections achieved that the walls of the plasma section in comparison to herkömmli ¬ Chen linear reactors have less surface, which are loaded with high temperatures, since the hot gas stream or aerosol can be derived to several pages. In addition, there are no dead volumes in the reactor in which material, such as agglomerated carbon particles, can deposit or circulate hot gas streams and the reactor walls can angrei ¬ fen.
Der Plasmaabschnitts ist der Teil des Reaktors, in dem der Plasmabereich lokalisiert ist. Weiterhin liegt das Zentrum des Plasmaabschnitts in der Achse oder im Schnittpunkt der zentra¬ len Längsachsen der Kanalabschnitte. In vorteilhaften Ausführungsformen mit einem Plasmabrenner liegt das Zentrum des Plasmaabschnitts in der Hauptachse der Elektroden. In Ausfüh- rungsformen mit mehreren Plasmabrennern liegt das Zentrum des Plasmaabschnitts üblicherweise in der Mitte zwischen den Plas¬ mabrennern . The plasma section is the part of the reactor where the plasma region is located. Continue to be the center of the Plasma section in the axis or at the intersection of zentra ¬ len longitudinal axes of the channel sections. In advantageous embodiments with a plasma torch, the center of the plasma section lies in the main axis of the electrodes. In EMBODIMENTS having a plurality of plasma torches is the center of the plasma portion usually in the middle between the Plas ¬ mabrennern.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind die Kanalabschnitte rohrförmig bzw. weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf. In advantageous embodiments, the channel sections are tubular or have a circular cross-section.
Vorzugsweise sind die Einlassöffnung oder die Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe äquidistant zu zwei Kanalabschnitten angeordnet . Preferably, the inlet port or ports for hydrocarbons are arranged equidistant from two channel sections.
Die äquidistante Anordnung der Einlassöffnung (en) ermöglicht eine möglichst gleichmäßige Einleitung des Gasstrom bzw. Aero¬ solstroms in die Kanalabschnitte. In Ausführungsformen in de¬ nen zwei bzw. beide Kanalabschnitte eine gemeinsame Achse auf- weisen, d.h. beide Kanalabschnitte die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe in entgegensetzte Richtungen wegleiten, liegt bzw. liegen die Einlassöffnung (en) in einer Ebene senkrecht zu den Achsen der Kanalabschnitte und mittig zwischen den Kanalabschnitten. The equidistant arrangement of the inlet opening (s) allows the most uniform possible introduction of the gas flow or Aero ¬ solstrom in the channel sections. In embodiments in de ¬ NEN two or both channel portions have a common axis up, ie both channel portions divert the thermally cracked hydrocarbons in opposite directions, is or are intake opening (s) in a plane perpendicular to the axes of the channel sections and centrally between the channel sections.
Bei mehr als zwei Kanalabschnitten ist es vorteilhaft, wenn die Einlassöffnung (en) äquidistant zu zwei Kanalabschnitten ist bzw. sind, d.h. es ist nicht erforderlich, dass eine bzw. jede Einlassöffnung zu mehr als zwei Kanalabschnitten äqui- distant ist. With more than two channel sections, it is advantageous if the inlet opening (s) are equidistant from two channel sections, i. it is not necessary that one or each inlet opening is equidistant to more than two channel sections.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Einlassöffnung oder die Einlassöffnungen auf den Plasmabereich ausgerichtet. Eine entsprechende Ausrichtung ermöglicht eine gute und schnelle Durchmischung und Erwärmung der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe im Plasma bzw. im Plasmabereich, wodurch die Zer- legung der Kohlenwasserstoffe mit kurzen Verweilzeiten der einzelnen Massen im Plasmabereich erreicht werden kann, was sich vorteilhaft auf die Partikelgröße des Kohlenstoffs aus¬ wirkt. Möglichst kleine Kohlenstoffpartikel eignen sich auf¬ grund des guten Verhältnisses von Oberfläche zu Masse beson- ders für eine weitere Verarbeitung bzw. Reaktion. In preferred embodiments, the inlet port or ports are aligned with the plasma region. A corresponding orientation allows a good and fast mixing and heating of the introduced hydrocarbons in the plasma or in the plasma region, whereby the decomposition of the hydrocarbons can be achieved with short residence times of the individual masses in the plasma region, which is advantageous to the particle size of the carbon from ¬ acts. As small as possible carbon particles are due to the good surface-to-mass ratio, especially for further processing or reaction.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe in einer Ebene in der Mitte zwischen zwei Kanalabschnitten angeordnet. In an advantageous embodiment, a plurality of hydrocarbon inlet ports are arranged in a plane midway between two channel sections.
Eine Vielzahl von Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe in einer Ebene erreicht eine besonders gute und schnelle Durchmi¬ schung und damit Wärmeübertragung auf die Kohlenwasserstoffe, da aus mehreren Richtungen gleichzeitig in den Plasmabereich Kohlenwasserstoffe eingeblasen werden. Als einzige Ausweich¬ richtung ergeben sich die Achsen der Kanalabschnitte, wodurch einerseits eine effizientes Wegleiten des entstandenen Aero¬ sols möglich ist und anderseits ein Wandkontakt des Aerosols vermieden bzw. verringert werden kann, so dass die thermische Belastung und die mögliche Ablagerung von Kohlenstoff an den Wänden des Plasmaabschnitts und der Kanalabschnitte verringert wird . A plurality of inlet ports for hydrocarbons in a plane achieves a very good and fast Durchmi ¬ research and thus heat transfer to the hydrocarbons, there are injected from different directions at the same time in the plasma region hydrocarbons. As the only evasive ¬ direction results in the axes of the channel sections, which on the one hand an efficient routing of the resulting Aero ¬ sols is possible and on the other hand wall contact of the aerosol can be avoided or reduced, so that the thermal load and the possible deposition of carbon to the Walls of the plasma section and the channel sections is reduced.
Vorzugsweise werden die Einlassöffnungen ringartig in der Ebene in der Mitte bzw. im Zentrum des Plasmaabschnitts zwi¬ schen den Kanalabschnitten angeordnet, wodurch der Plasmabereich im Bereich des Rings von Wänden des Plasmaabschnitts durch einen entsprechenden Gasstrom der Kohlenwasserstoffe ferngehalten werden kann, so dass die Wände des Plasmaab¬ schnitts thermisch weniger belastet werden. Preferably, the inlet openings are arranged annularly the channel sections Zvi ¬ rule in the plane in the center or the center of the plasma section, thereby the plasma region in the region of the ring of walls of the plasma portion through a respective gas flow of the hydrocarbons can be kept, so that the walls of Plasmaab ¬ section are less thermally stressed.
Vorzugsweise sind die Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe im Ring, vorzugsweise in gleichen Abständen, angeordnet, d.h. gleichmäßig über den Umfang des Plasmaabschnitts verteilt. Preferably, the inlet ports for hydrocarbons are disposed in the ring, preferably at equal intervals, i. evenly distributed over the circumference of the plasma section.
Vorzugsweise weist jeder Kanalabschnitt einen Einleitungsbe¬ reich für CO2 auf. Der Einleitungsbereich für Kohlenstoffdioxid ermöglicht eine chemische Umsetzung des Kohlenstoffs der ge¬ spaltenen Kohlenwasserstoffe in CO (Kohlenmonoxid) in einer Boudouard-Reaktion, so dass Synthesegas, d.h. eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, effizient aus beispiels¬ weise Erdgas und Kohlenstoffdioxid erzeugt werden kann. Preferably, each channel section to a Einleitungsbe ¬ rich for CO2. The introduction region for carbon dioxide allows a chemical conversion of the carbon of the ge ¬ split hydrocarbons in CO (carbon monoxide) in a Boudouard reaction, so that synthesis gas, ie a mixture of hydrogen and carbon monoxide, can be generated efficiently from example ¬ example natural gas and carbon dioxide.
Vorzugsweise sind mehrere Einströmöffnungen für die Einleitung von CO2 vorgesehen. Mehrere Einströmöffnungen ermöglichen eine gleichförmige Vermischung und somit eine Boudouard-Reaktion auf einer kurzen Strecke im Kanalabschnitt. Vorzugsweise sind die Einströmöffnungen für die Einleitung von CO2 in einer Einleitungsebene angeordnet, weiter vorzugsweise ringförmig, be¬ sonders vorzugsweise in einer Anordnung mit gleichen Abständen . Es ist vorteilhaft, wenn der Abstand des Einleitungsbereichs für CO2 vom Zentrum des Plasmaabschnitts 0,30 m bis 1,5 m, vor¬ zugsweise 0,3 m bis 1,0 m beträgt. Hierdurch kann eine für die Boudouard-Reaktion vorteilhafte Temperaturverteilung eingestellt werden. Preferably, several inlet openings are provided for the introduction of CO2. Multiple inflow openings allow uniform mixing and thus a Boudouard reaction over a short distance in the channel section. Preferably, the inlet openings are arranged for the introduction of CO2 in an introduction plane, more preferably annularly, be ¬ particularly preferably in an arrangement with equal intervals. It is advantageous if the distance of the lead-in area for CO2 from the center of the plasma portion of 0.30 m to 1.5 m, preferably 0.3 m before ¬ amounts to 1.0 m. As a result, an advantageous for the Boudouard reaction temperature distribution can be adjusted.
Vorzugsweise weist jeder Kanalabschnitt einen Einleitungsbe¬ reich für H2O auf. Hierdurch ist eine heterogene Wassergas- Konvertierungsreaktion der thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe möglich. Es ergeben sich vergleichbare Vorteile, wie bei der Boudouard-Reaktion mit CO2. Vorteilhaft ist die Kombi¬ nation der Boudouard-Reaktion und der Wassergas-Konvertierungsreaktion, um die Zusammensetzung des Synthesegases zu steuern. Dies gilt insbesondere auch, um das Verhältnis von CO und H2 beliebig anzupassen. Preferably, each channel portion to a Einleitungsbe ¬ rich for H2O. As a result, a heterogeneous water gas conversion reaction of the thermally cracked hydrocarbons is possible. There are comparable advantages, such as in the Boudouard reaction with CO2. Advantageously, the combination ¬ nation of the Boudouard reaction and the water gas shift reaction in order to control the composition of the synthesis gas. This is especially true in order to adjust the ratio of CO and H2 as desired.
In vorteilhaften Ausführungsformen beträgt der Abstand des Einleitungsbereichs für H2O vom Zentrum des Plasmaabschnitts 0,3 m bis 2,5 m, vorzugsweise 0,5 m bis 1,5 m. Hierdurch kann eine für die Wassergas-Konvertierungsreaktion vorteilhafte Temperaturverteilung eingestellt werden. Es kann insbesondere eine vollständige Reaktion der Kohlenstoffpartikel zu gasför¬ migen Produkten erreicht werden, was den kontinuierlichen Be- trieb des Reaktors ohne Reinigungsunterbrechungen oder Abtrennung der festen Kohlenstoffpartikel vor einem nachgelagerten Prozess, wie z.B. ein Fischer-Tropsch-Verfahren, ermöglicht. In advantageous embodiments, the distance of the introduction region for H2O from the center of the plasma section is 0.3 m to 2.5 m, preferably 0.5 m to 1.5 m. As a result, an advantageous for the water gas conversion reaction temperature distribution can be adjusted. It can be achieved in particular a complete reaction of the carbon particles to gasför ¬-shaped products, which the continuous operating the reactor without cleaning interruptions or separation of the solid carbon particles before a downstream process, such as allowing a Fischer-Tropsch process.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform überschneiden sich die Einleitungsbereiche für CO2 und für H2O . Es kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Abstand zwischen den Einleitungsebenen für CO2 und für H2O 0 m betragen. In a further advantageous embodiment, the introduction ranges for CO2 and for H2O overlap. In an advantageous embodiment, it may be the distance between the initiation levels for CO2 and for H2O 0 m.
Der vorgeschlagene Reaktor mit zwei bzw. mehr als zwei gleich- artigen Kanalabschnitten erlaubt eine einfache bauliche Anpas¬ sung des Reaktors an unterschiedliche Anforderungen bei der Prozessgestaltung mit Einleitungsbereichen für Kohlenstoffdi- oxid und/oder Wasser durch die Veränderung der Abstände. Dies ist insbesondere gegeben bei rohrförmigen Kanalabschnitten und Einleitungsbereichen mit ringförmig angeordneten Einströmöffnungen . In bevorzugten Ausführungsformen weisen die Einleitungsbereiche eine Vielzahl von Einströmöffnungen auf, wobei die Einströmöffnungen über den Umfang der jeweiligen Kanalabschnitt, weiter vorzugsweise gleichmäßig, verteilt angeordnet sind. The proposed reactor with two or more than two same-shaped channel sections allows a simple constructional solution of the reactor ¬ ANPAS to different requirements for the process design with initiation regions for Kohlenstoffdi- oxide and / or water through the change of the distances. This is in particular given in tubular channel sections and introduction areas with annularly arranged inflow openings. In preferred embodiments, the introduction regions have a plurality of inflow openings, wherein the inflow openings are distributed over the circumference of the respective channel section, more preferably evenly distributed.
Vorzugsweise sind mehrere Einströmöffnungen für die Einleitung von H2O vorgesehen. Mehrere Düsen ermöglichen eine gleichförmige Vermischung und somit eine Wassergas-Konvertierungsreaktion auf einer kurzen Strecke im Kanalabschnitt. Vorzugsweise sind die Einströmöffnungen für die Einleitung von H2O in einer Einleitungsebene angeordnet, weiter vorzugsweise ringförmig, besonders vorzugsweise in einer Anordnung mit gleichen Abständen . Vorzugsweise weist der Plasmabrenner eine innere Elektrode und eine äußere, ringförmige Elektrode auf, wobei der Plasmabren¬ ner zwischen äußerer und innerer Elektrode einen ringförmigen Einlass für Plasmagas aufweist. Eine solche Anordnung ist als Kvaerner-Plasmabrenner bekannt. Die innere Elektrode weist vorzugsweise eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe auf. Eine Einlassöffnung für Kohlenwasserstoffe in der inneren Elektrode ermöglicht ein hohes Verhältnis von eingeleiteten Kohlenwasserstoffen zu eingesetztem Plasmagas. Zudem kann mit einer derartigen Elektrode der Plasmabereich vom Plasmabrenner weiter in das Zentrum des Plasmaschnitts des Reaktors verla¬ gert werden. Preferably, several inlet openings for the introduction of H 2 O are provided. Multiple nozzles allow uniform mixing and thus a water gas conversion reaction over a short distance in the duct section. Preferably, the inlet openings for the introduction of H 2 O are arranged in an introduction plane, more preferably annular, particularly preferably in an arrangement with equal intervals. Preferably, the plasma torch has an inner electrode and an outer, annular electrode, wherein the Plasmabren ¬ ner between the outer and inner electrode has an annular inlet for plasma gas. Such an arrangement is known as Kvaerner plasma torch. The inner electrode preferably has an inlet port for hydrocarbons. An inlet port for hydrocarbons in the inner electrode allows a high ratio of introduced hydrocarbons to plasma gas used. In addition, the plasma region may be in the center of the plasma section of the reactor verla ¬ siege from the plasma torch having such an electrode.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind in dem Plasmaabschnitt zwei Plasmabrenner angeordnet, wobei die Plasmabrenner äqui- distant zum Zentrum des Plasmaabschnitts angeordnet sind. In advantageous embodiments, two plasma torches are arranged in the plasma section, wherein the plasma torches are arranged equidistant to the center of the plasma section.
Diese Anordnung eignet sich besonders für eine Skalierung der Plasmaleistung, was vor allem bei zwei Kanalabschnitten mit einer gemeinsamen Achse vorteilhaft ist. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind in dem Plasmaabschnitt drei Plasmabrenner angeordnet, welche äqui- distant zum Zentrum des Plasmaabschnitts angeordnet sind, wo- bei der Reaktor drei Kanalabschnitte aufweist. Neben dem vor¬ teilhaften Skalieren ergeben sich Vorteile für die Effizienz für Reaktoren mit Kvaerner-Plasmabrennern, da jeder Plasmabrenner mit einer Phase einer 3-Phasenstromquelle betrieben werden kann, so dass keine aufwändige Spannungswandlung bzw. Gleichrichtung erforderlich ist und die Blindleistung reduziert werden kann. This arrangement is particularly suitable for a scaling of the plasma power, which is advantageous especially for two channel sections with a common axis. In another advantageous embodiment, three plasma torches are arranged in the plasma section, which are arranged equidistantly to the center of the plasma section, wherein the reactor has three channel sections. In addition to the partially liable before ¬ Scale provides advantages for the efficiency of reactors with Kvaerner plasma torches, as each plasma torch can be operated with one phase of a three-phase power source, so no expensive voltage conversion or rectification is required and the reactive power can be reduced.
Vorzugsweise gehen die Kanalabschnitte in einem Abstand vom Zentrum des Plasmaabschnitts, welcher mindestens 1 m größer ist als der Abstand des letzten Einleitungsbereichs, in Pro¬ duktleitungsabschnitte über. Die Produktleitungsabschnitte dienen dazu, einen Transfer zu weiterführenden Prozessen, wie z.B. einem Fischer-Tropsch-Verfahren, zu ermöglichen. Hierbei können die mehreren Produktleitungsabschnitte zusammengeführt werden. Weiterhin ist es möglich, dass eine Umlenkung und somit eine Annäherung an das Zentrum des Plasmaabschnitts er¬ folgt, wobei dies keine direkte und vollständige Rückleitung in den Plasmaabschnitt impliziert. Der Übergang zu Produktlei¬ tungsabschnitten ermöglicht eine einfachere Weiterleitung bei niedrigeren Temperaturen ohne aufwendige Kühlung des Abschnitts . The channel sections go preferably at a distance from the center of the plasma portion, which is at least 1 m is greater than the distance of the last lead-in area, in Pro ¬ duktleitungsabschnitte over. The product line sections serve to facilitate transfer to further processes, such as a Fischer-Tropsch process. In this case, the plurality of product line sections can be merged. It is also possible that a deflection and thus it follows an approach to the center of the plasma section ¬, although this does not imply a direct and complete return to the plasma section. The transition to Produktlei ¬ processing sections allows easier forwarding at lower temperatures without costly cooling of the section.
Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe der Erfindung ein korrespondierendes Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlen- Wasserstoffen vorgeschlagen, wobei in einem Reaktor der vorgenannten Art mehrere Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe vorgesehen sind. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Ein- lassöffnungen mit variablen und voneinander abweichenden Drücken und/oder Massenströmen der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe betrieben. Dies ermöglicht eine Zentrierung des Plasmabereichs in dem Plasmaabschnitt des Reaktors, so dass der heißeste Bereich möglichst mit gleichem Abstand zu allen Wänden des Reaktors angeordnet ist, um die thermische Belastung der Reaktorwände zu minimieren. Weiterhin kann eine rechtwinklige Ablenkung der thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe in vorzugsweise zwei Kanalabschnitte ebenfalls zentral in den Kanalabschnitten er¬ folgen, was Wandeffekte minimiert und eine gute Ausgangssitua¬ tion für nachfolgende Prozessschritte bietet. Vorzugsweise erfolgen eine Erfassung der Position eines Plas¬ mabereichs in dem Plasmaabschnitt und ein Regeln von Drücken und/oder Massenströmen von Kohlenwasserstoffen an mindestens zwei Einlassöffnungen derart, dass der Plasmabereich in das Zentrum des Plasmaabschnitts verlagert wird. Furthermore, a corresponding method for the thermal cleavage of hydrocarbons is proposed to achieve the object of the invention, wherein a plurality of inlet openings for hydrocarbons are provided in a reactor of the aforementioned type. According to the invention, at least two inputs Lassöffnungen operated with variable and divergent pressures and / or mass flows of hydrocarbons introduced. This allows centering of the plasma region in the plasma section of the reactor, so that the hottest region is arranged as equal as possible to all walls of the reactor in order to minimize the thermal load on the reactor walls. Furthermore, a rectangular deflection of thermal cracked hydrocarbons preferably two channel sections can also join the channel sections he ¬ follow centrally, minimizing wall effects and provides a good starting situa ¬ tion for subsequent process steps. Preferably, a detection of the position of a Plas ¬ mabereichs in the plasma portion and a rules of pressures and / or mass flows of hydrocarbons at at least two inlet openings be such that the plasma region is shifted in the center of the plasma portion.
Die Erfassung der Position des Plasmabereichs kann beispiels¬ weise optisch mittels einer Kamera erfolgen, welche in einem Kanalabschnitt angeordnet ist. Die durch die Kamera erfassten Daten werden in vorteilhaften Ausführungsformen elektronisch ausgewertet und in einen Regelkreis eingespeist. Der Regel¬ kreis steuert die Einleitung an mindestens, vorzugsweise meh¬ reren oder auch allen Einlassöffnungen für Kohlenwasserstoffe, durch eine Anpassung von Druck und/oder Massenstrom. Dementsprechend verschiebt sich der Plasmabereich durch die verän- derten Strömungsbedingungen, was verfahrensgemäß erfasst wird und zur weiteren Anpassung der Drücke und/oder Massenströme dient. Auf diese Weise kann der heiße Plasmabereich möglichst zentral mit gleichmäßigem Abstand zu allen Wänden positioniert werden. Dies kann insbesondere bei einer ringförmigen Anordnung von Einlassöffnungen im Plasmaabschnitt vorteilhaft aus¬ geführt werden. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den nachfolgenden Figuren schematisch dargestellt. Es zeigt The detection of the position of the plasma region may ¬ example be effected optically by means of a camera which is arranged in a channel portion. The data captured by the camera are electronically evaluated in advantageous embodiments and fed into a control loop. The control ¬ circle controls the introduction of at least, preferably meh ¬ reren or all inlet openings for hydrocarbons, by adjusting the pressure and / or mass flow. Accordingly, the plasma range shifts due to the changed flow conditions, which is detected according to the method and serves to further adapt the pressures and / or mass flows. In this way, the hot plasma area can be positioned as centrally as possible with even spacing to all walls become. This can be advantageously carried out at from ¬ an annular array of inlet openings in the plasma portion in particular. Advantageous embodiments of the invention are shown schematically in the following figures. It shows
Fig. 1 einen Reaktor zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen undFig. 1 shows a reactor for the cleavage of hydrocarbons and
Erzeugung von Synthesegas in einem seitlichen Querschnitt; Generation of synthesis gas in a lateral cross-section;
Fig. 2 einen Reaktor in einer Draufsicht; 2 shows a reactor in a plan view;
Fig. 3 einen Plasmaabschnitt im Querschnitt; Fig. 4 einen Plasmaabschnitt im Querschnitt; 3 shows a plasma section in cross section; 4 shows a plasma section in cross section;
Fig. 5 einen Plasmaabschnitt im Querschnitt; 5 shows a plasma section in cross section;
Fig. 6 einen Reaktor mit zwei Plasmabrennern; Fig. 6 shows a reactor with two plasma torches;
Fig. 7 einen Reaktor mit vier Kanalabschnitten; Fig. 7 shows a reactor with four channel sections;
Fig. 8 einen Reaktor mit drei Plasmabrennern; und Fig. 9 einen Reaktor mit zwei Kanalabschnitten und acht Plasmabrennern . Fig. 8 shows a reactor with three plasma torches; and FIG. 9 shows a reactor with two channel sections and eight plasma torches.
In der Fig. 1 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Reaktors 1 zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen 10 und zur Er- zeugung von Synthesegas 60 schematisch in einem Querschnitt dargestellt. Der Reaktor 1 weist einen Plasmaabschnitt 2 auf, in dem ein Plasmabrenner 3 angeordnet ist. Der Plasmabrenner 3 weist einen Einlass 4 für Plasmagas 30 auf, welches vorzugs¬ weise Wasserstoff oder Synthesegas ist. Der Einlass 4 ist der¬ art ausgerichtet und aufgeteilt, dass die Elektroden des Plas¬ mabrenners 3 von Plasmagas 30 umgegeben sind und eine größt- mögliche Abschirmung der Elektroden von anderen Gasen, die nicht Plasmagas 30 sind, erreichen. Der Plasmabrenner 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Plasmabrenner 3 des Typs Kvaer- ner mit einer zentralen Elektrode, welche ringförmig von einer zweiten Elektrode umgeben wird. Die elektrische Entladung er- folgt zwischen den Elektroden in der ringförmigen Öffnung, welche in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 nach unten ge¬ richtet ist. Aus der ringförmigen Öffnung des Plasmabrenners 3 strömt Plasmagas 30. Weiterhin kann die ringförmige Elektrode von außen von Plasmagas 30 umströmt werden. Im Betrieb ergibt sich ein Plasmabereich 5, welcher von einem heißen thermischen Plasma geprägt ist. Der Plasmadruck im Bereich der Enden der Elektroden beträgt etwa 20 bar. Die Gastemperatur unmittelbar hinter dem Plasma beträgt bevorzugt 2.500-4.500 K, weiter vorzugsweise 3.000-4.500 K. 1 shows an advantageous embodiment of a reactor 1 for the cracking of hydrocarbons 10 and for the production of synthesis gas 60 is shown schematically in a cross section. The reactor 1 has a plasma section 2, in which a plasma torch 3 is arranged. The plasma torch 3 has an inlet 4 for plasma gas 30, which is preferably ¬ as hydrogen or synthesis gas. The inlet 4 is aligned and divided ¬ art, that the electrodes of Plas ¬ mabrenners 3 of the plasma gas are surrounded 30 and a greatest possible screening of the electrodes from other gases which are not plasma gas 30 to reach. The plasma torch 3 in this exemplary embodiment is a plasma torch 3 of the type Kva ner with a central electrode which is annularly surrounded by a second electrode. The electric discharge between the electrodes ER follows in the annular opening which is ge down ¬ oriented in the embodiment of FIG. 1. From the annular opening of the plasma torch 3 plasma gas flows 30. Furthermore, the annular electrode from the outside of plasma gas 30 can be flowed around. During operation, a plasma region 5 results, which is characterized by a hot thermal plasma. The plasma pressure in the region of the ends of the electrodes is about 20 bar. The gas temperature immediately behind the plasma is preferably 2,500-4,500 K, more preferably 3,000-4,500 K.
Gegenüber des Plasmabrenners 3, in der Fig. 1 unten, ist eine Einlassöffnung 6 für Kohlenwasserstoffe 10. Die Kohlenwasserstoffe werden im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 entgegen der Stromrichtung des Plasmagases 30 in den Plasmabereich 5 einge- leitet. 1, an inlet opening 6 for hydrocarbons 10 is opposite to the plasma torch 3, in the embodiment of FIG.
Das durch die elektrische Entladung zwischen den Elektroden erhitzte Plasmagas 30 wird mit Kohlenwasserstoffen 10, welche an der Einlassöffnung 6 eingeleitet werden, in dem Plasmabe- reich 5 gemischt. Die resultierende starke Erwärmung des Plas¬ magases 30 führt zu einem Zerfall der Kohlenwasserstoffe 10 im Plasma in Kohlenstoff und Wasserstoff. Hierdurch werden die Kohlenwasserstoffe 10 durch eine Wärme¬ übertragung vom Plasmagas 30 soweit erwärmt, dass die Kohlen¬ wasserstoffe 10 thermisch gespalten werden und ein Aerosol von Wasserstoff und Kohlenstoff bilden. The plasma gas 30 heated by the electric discharge between the electrodes is mixed with hydrocarbons 10 introduced at the inlet port 6 in the plasma region 5. The resulting strong heating of the Plas ¬ magases 30 leads to a decomposition of the hydrocarbons 10 in the plasma into carbon and hydrogen. As a result, the hydrocarbons 10 are heated by a heat ¬ transfer from the plasma gas 30 so far that the coals ¬ hydrogens 10 are thermally split and form an aerosol of hydrogen and carbon.
Der Plasmabrenner 3, der Plasmabereich 5 und die Einlassöffnung 6 für Kohlenwasserstoffe 10 sind in dem Plasmaabschnitt 2 des Reaktors 1 angeordnet. Das entstehende Aerosol der ther¬ misch gespaltenen Kohlenwasserstoffe 10 wird aus dem Plasmaab- schnitt 2 in zwei gleichartige Kanalabschnitte 7 geleitet, welche von dem Plasmaabschnitt 2 des Reaktors 1 abgehen. The plasma torch 3, the plasma region 5 and the inlet port 6 for hydrocarbons 10 are arranged in the plasma section 2 of the reactor 1. The resulting aerosol of the ther ¬ mically split hydrocarbons 10 is passed from the plasma section 2 in two similar channel sections 7, which depart from the plasma section 2 of the reactor 1.
Gleichartige Kanalabschnitte 2 bedeutet in diesem Zusammen¬ hang, dass alle Kanalabschnitte für einen gleichen bzw. vergleichbaren Massenstrom von Gas bzw. Aerosol eingerichtet sind, d.h. einen gleichen Querschnitt bzw. Querschnittsverlauf aufweisen . Similar channel sections 2 is in this context ¬ hang that all channel sections for a same or comparable mass flow of gas or aerosol are established, that is have a same cross section or cross-sectional profile.
In diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das in die Kanalabschnitte 7 eingeleitete Aerosol aus Wasserstoff und Kohlenstoff in einer weiteren Reaktion zu Synthesegas 60, d.h. einer Mischung aus CO und H2, umgesetzt. Für die Umsetzung des Aerosols kann einerseits Kohlenstoffdioxid CO2 40 in einem Ein¬ leitungsbereich 11 zugeführt werden, welches mit dem vorliegenden Kohlenstoff in einer Boudouard-Reaktion zu CO umgesetzt wird. Alternativ oder ergänzend kann Wasser H2O 50 in einem weiteren Einleitungsbereich 12 eingeleitet werden, um eine Wassergas-Konvertierungsreaktion (Wassergas-Shift-Reaktion) durchzuführen. Beide Reaktionen dienen der Erzeugung von Synthesegas 60 aus den gespaltenen Kohlenwasserstoffen 10, wobei das Synthesegas 60 über die Produktleitungsabschnitte 13 in einer Weiterverarbeitungsstufe, welche in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, beispielsweise in einem Fischer-Tropsch-Ver- fahren zu Treibstoffen, u.a. Diesel, Benzin oder Kerosin, weiterverarbeitet wird. Folglich können gasförmige Kohlenwasser¬ stoffe 10, insbesondere Erdgas, energetisch günstig zu bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssigen Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet werden. In this advantageous embodiment, the introduced into the channel sections 7 aerosol of hydrogen and carbon in a further reaction to synthesis gas 60, that is, a mixture of CO and H 2 , implemented. For the conversion of the aerosol, on the one hand, carbon dioxide CO 2 40 can be supplied in an inlet section 11, which is reacted with the present carbon in a Boudouard reaction to CO. Alternatively or additionally, water H 2 O 50 can be introduced in a further introduction region 12 in order to carry out a water gas shift reaction (water gas shift reaction). Both reactions serve to produce synthesis gas 60 from the split hydrocarbons 10, the synthesis gas 60 being conveyed via the product line sections 13 in a further processing stage, which is not shown in FIG. 1, for example in a Fischer-Tropsch process. go to fuels, including diesel, gasoline or kerosene, further processed. Consequently, gaseous hydrocarbon ¬ materials 10, in particular natural gas, at low energy cost can be further processed to form at room temperature and normal pressure liquid hydrocarbons.
Vorzugsweise beträgt der Abstand Dl des Einleitungsbereichs 11 für CO2 40 vom Zentrum des Plasmaabschnitts 8 0,3 m bis 1,5 m. Vorzugsweise beträgt der Abstand D2 des Einleitungsbereichs 12 für H2O 50 vom Zentrum des Plasmaabschnitts 8 0,3 m bis 2,5 m. Preferably, the distance Dl of the introduction area 11 for CO2 40 from the center of the plasma section 8 is 0.3 m to 1.5 m. Preferably, the distance D2 of the introduction region 12 for H2O 50 from the center of the plasma section 8 is 0.3 m to 2.5 m.
Fig. 2 zeigt einen Reaktor 1 in einer Draufsicht. Der ReaktorFig. 2 shows a reactor 1 in a plan view. The reactor
1 weist eine ringförmige Anordnung von Einlassöffnungen 6 auf, die äquidistant zu zwei Kanalabschnitten 7 in einer Ebene 9 angeordnet sind. Der Plasmabrenner 3 ist in der Fig. 2 in einer schematischen Aufsicht dargestellt. Die Einleitungsberei¬ che 11, 12 für Kohlenstoffdioxid CO2 40 und Wasser H2O 50 wei¬ sen in beiden rohrförmigen Kanalabschnitten 7 eine mehrere Einströmöffnungen 15 für CO2 40 und Einströmöffnungen 17 für H2O 50 auf. Die Einströmöffnungen sind jeweils in einer Ebene 14, 16 angeordnet, die in beiden Kanalabschnitten 7 jeweils den gleichen Abstand zum Zentrum des Plasmaabschnitts 8 auf¬ weisen, siehe Fig. 3. Die Kanalabschnitte 7 des Ausführungs- beispiels der Fig. 2 weisen eine gemeinsame Achse auf, so dass die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe 10 zu gleichen Teilen in entgegen gesetzte Richtungen aus dem Plasmaabschnitt1 has an annular arrangement of inlet openings 6, which are arranged equidistant from two channel sections 7 in a plane 9. The plasma torch 3 is shown in FIG. 2 in a schematic plan view. The introduction preparation ¬ che 11, 12 H2O 50 wei ¬ sen for carbon dioxide CO2 and water 40 in the two tubular duct sections 7, a plurality of inlet openings 15 for CO2 40 and inlet openings 17 for H2O at 50. The inflow openings are each in a plane 14, 16 which each have in the two channel sections 7 have the same distance to the center of the plasma portion 8 on ¬, see Fig. 3. The channel sections 7 of the exemplary embodiment of Fig. 2 have a common axis on, so that the thermally split hydrocarbons 10 in equal parts in opposite directions from the plasma section
2 wegleitet werden. In Fig. 3 ist der Plasmaabschnitt 2 des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 in einem Schnitt in der Ebene 9 gezeigt. Der Plas¬ mabrenner 3 wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem Strom Plasmagas 30, welche außen an dem Plasmabrenner 3 entlang strömt, vor einem Kontakt mit Kohlenwasserstoffen geschützt. Zudem wird Plasmagas 30 in dem Plasmabrenner 3 genutzt um ein Plasma in dem Plasmabereich 5 zu erzeugen. Mehrere Einlassöff¬ nungen 6 ermöglichen die Einleitung von Kohlenwasserstoffen 10, wobei die Einlassöffnungen 6 in diesem Ausführungsbeispiel auf den Plasmabereich 5 gerichtet sind. 2 be diverted. In Fig. 3, the plasma section 2 of the embodiment of FIG. 2 is shown in a section in the plane 9. Der Plas ¬ mabrenner 3, in this embodiment, by a plasma gas stream 30, which along the outside of the plasma torch 3 flows, protected from contact with hydrocarbons. In addition, plasma gas 30 is used in the plasma torch 3 to generate a plasma in the plasma region 5. Several Einlassöff ¬ calculations 6 allow the introduction of hydrocarbons 10, wherein the inlet ports are directed 6 in this embodiment, on the plasma region. 5
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist besonders für eine va¬ riable Einleitung von Kohlenwasserstoffen 10 an den Einlass- Öffnungen 6 geeignet, um den Plasmabereich 5 möglichst in das Zentrum des Plasmaabschnitts 8 verlagern zu können. Weiterhin kann die ringförmige Anordnung der Einlassöffnungen 6 für eine erfolgreiche Regelung der Position des Plasmabereichs 5 durch die Regelung der Drücke und Massenströme an den Einlassöffnun- gen 6 genutzt werden. The embodiment of Fig. 3 is particularly suitable for a va riable ¬ introduction of hydrocarbons 10 at the inlet openings 6, to shift the plasma region 5 as possible in the center of the plasma portion 8. Furthermore, the annular arrangement of the inlet openings 6 can be used for successful regulation of the position of the plasma region 5 by regulating the pressures and mass flows at the inlet openings 6.
In Fig. 4 ist das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ergänzt um eine zusätzliche Einlassöffnung 6 für Kohlenwasserstoffe, wel¬ che zentrisch in der inneren Elektrode des schematisch verein- facht dargestellten Plasmabrenners 3 eines Kvaerner-Typs ange¬ ordnet ist. Die Strömung von Plasmagas 30 ist in der Fig. 3 nicht dargestellt. In FIG. 4, the embodiment of Fig. 3 is supplemented by an additional inlet opening 6 for hydrocarbons, wel ¬ surface is centrally ¬ belongs to the inner electrode of the plasma torch shown schematically simplifies 3 of a Kvaerner type. The flow of plasma gas 30 is not shown in FIG.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt eines Reaktors 1. Der Plasmaab- schnitt 2 des Reaktors 1 weist im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht den gleichen Querschnitt wie die abgehenden Kanalabschnitte 7 auf, sondern weist eine kugelför¬ mige oder sphärische bzw. halbkugelförmige oder halbsphärische Ausprägung in der dem Plasmabrenner 3 gegenüberliegenden Seite auf. Fig. 6 zeigt einen Reaktor 1 mit zwei Plasmabrennern 3, wobei die Einlassöffnungen 6 im Zentrum des Plasmaabschnitts 2 zwischen den beiden Plasmabrennern 3 angeordnet sind. In Fig. 7 ist ein Reaktor 1 dargestellt, der vier rechtwinklig zueinander angeordnete Kanalabschnitte 7 aufweist, die von dem Plasmaabschnitt 2 abgehen. In dem Plasmaabschnitt 2 sind vier Plasmabrenner 3 äquidistant zum Zentrum des Plasmaabschnitts 8 angeordnet. Weiterhin sind die Einlassöffnungen 6 für Kohlen- Wasserstoffe 10 in einer ringförmigen Anordnung angedeutet. Es liegen in dem Ausführungsbeispiel zwei ringförmige Anordnungen von Einlassöffnungen 6 vor, die sich kreuzen. Die Einlassöffnungen 6 sind jeweils äquidistant zu zwei der vier Kanalab¬ schnitte 7, um eine gleichmäßige Verteilung der gespaltenen Kohlenwasserstoffe 10 aus dem Plasmabereich 2 in die gleichar¬ tigen Kanalabschnitte 7 zu ermöglichen. Fig. 5 shows a section of a reactor 1. The Plasmaab- section 2 of the reactor 1, in contrast to the previous embodiments not have the same cross section as the outbound channel sections 7, but has a kugelför ¬-shaped or spherical or hemispherical or semi-spherical expression in the plasma torch 3 opposite side. FIG. 6 shows a reactor 1 with two plasma torches 3, wherein the inlet openings 6 are arranged in the center of the plasma section 2 between the two plasma torches 3. In Fig. 7, a reactor 1 is shown, which has four mutually perpendicular channel sections 7, which depart from the plasma section 2. In the plasma section 2, four plasma torches 3 are arranged equidistantly to the center of the plasma section 8. Furthermore, the inlet openings 6 for hydrocarbons 10 are indicated in an annular arrangement. There are in the embodiment, two annular arrangements of inlet openings 6, which intersect. The inlet openings 6 are each equidistant from two of the four Kanalab ¬ sections 7, to allow a uniform distribution of the split hydrocarbons 10 from the plasma region 2 in the gleichar ¬ term channel sections 7.
In Fig. 8 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel mit drei Kanalabschnitten 7 und drei Plasmabrennern 3 vom Typ Kvaerner dargestellt. Die drei Plasmabrenner sind jeweils äquidistant zum Zentrum des Plasmaabschnitts 8 auf einem Kreis angeordnet. Die Einlassöffnungen 6 sind einzeln äquidistant zu jeweils zwei der drei Kanalabschnitten 7 angeordnet. In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Kanal¬ abschnitten 7, welche eine gemeinsame Achse aufweisen, darge¬ stellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel acht Plasmabrenner 3 in dem Plasmaabschnitt 2 angeordnet. Diese ermöglichen eine große thermische Leistung des Plasmas und damit einen hohen Massen¬ strom, welcher zu einem effizienten Verfahren genutzt werden kann. Gleichzeitig können negative Wandeffekte, wie beispiels- weise Ablagerungen reduziert werden. In alternativen Ausführungsbeispielen können auch vier, sechs oder zehn Plasmabrenner 3 vorgesehen sein. Vorteilhaft ist eine gerade Anzahl Plasmabrenner 3, um eine gleichförmige Ableitung in beide Ka- nalabschnitte 7 zu erreichen. FIG. 8 shows an advantageous exemplary embodiment with three channel sections 7 and three plasma torches 3 of the Kvaerner type. The three plasma torches are each arranged equidistant from the center of the plasma section 8 on a circle. The inlet openings 6 are arranged individually equidistant from each of two of the three channel sections 7. In Fig. 9 is another embodiment with two channel ¬ sections 7, which have a common axis, Darge ¬ represents. In contrast to the embodiment of FIG. 6, eight plasma torches 3 are arranged in the plasma section 2 in this embodiment. These allow a large thermal power of the plasma and thus a high mass ¬ stream, which can be used to an efficient process. At the same time negative wall effects, such as wise deposits are reduced. In alternative embodiments, four, six or ten plasma torches 3 may be provided. An even number of plasma torches 3 is advantageous in order to achieve a uniform discharge into both channel sections 7.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispielen können mehrere Plasmabrenner 3 in Anlehnung an das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in der Ebene 9 in der Mitte zwischen zwei Kanalab- schnitten 7 angeordnet sein. In der Ebene 9 erfolgt in diesem Fall auf vorteilhafte Weise eine Einleitung von Kohlenwasser¬ stoffen 10 mit mehreren über den Umfang des Plasmaabschnitts 2 verteilten Einlassöffnungen 6. In diesem Ausführungsbeispiel kann auch eine ungerade Anzahl von Plasmabrennern 3, insbeson- dere drei Plasmabrennern 3, mit den bereits beschriebenen Vorteilen eingesetzt werden. In further advantageous exemplary embodiments, several plasma torches 3 may be arranged in the plane between two channel sections 7 on the basis of the exemplary embodiment of FIG. 2. In the plane 9 in this case is advantageously an introduction of hydrocarbon ¬ materials 10 having a plurality of distributed over the periphery of the plasma portion 2 inlet openings 6. In this embodiment, also an odd number of plasma torches 3, and in particular three plasma burners 3, with the advantages already described are used.
Die Verwendung elektrischer Energie für die Umsetzung in die notwendige thermische Energie ist vorteilhaft, da hierfür ins- besondere regenerative Energiequellen verwendet werden können. Für das vorgeschlagene Verfahren ist es unerheblich, ob das Plasma durch einen Plasmabrenner 3 mit zwei, drei oder mehr stabförmigen Elektroden oder einen Plasmabrenner 3 in Form eines sog. Kvaerner-Plasmabrenners erzeugt wird. Ferner kann die elektrische Entladung durch Gleich- oder Wechselspannung sowie gepulst erfolgen. The use of electrical energy for the conversion into the necessary thermal energy is advantageous since, in particular, regenerative energy sources can be used for this purpose. For the proposed method, it is irrelevant whether the plasma is generated by a plasma torch 3 having two, three or more rod-shaped electrodes or a plasma torch 3 in the form of a so-called Kvaerner plasma torch. Furthermore, the electrical discharge can be carried out by DC or AC voltage and pulsed.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die Kohlenwasserstoffe CH4 bzw. Methan. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die eingesetzten Kohlenwasserstoffe 10 bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmige Kohlenwasserstoffe, weiter bevor- zugt Cl bis C4-Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise CH4. Erfin¬ dungsgemäß kann beispielsweise Erdgas oder Biogas als Kohlen¬ wasserstoffquelle eingesetzt werden. Der Begriff Synthesegas 60 bezeichnet eine Gasmischung mit den Hauptbestandteilen Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid . In preferred embodiments, the hydrocarbons are CH 4 and methane, respectively. In further advantageous embodiments, the hydrocarbons used are gaseous hydrocarbons at room temperature and atmospheric pressure, more preferably Trains t Cl to C4 hydrocarbons, preferably CH. 4 OF INVENTION ¬ dung according to, for example, natural gas or biogas can be used as coal ¬ hydrogen source. The term synthesis gas 60 denotes a gas mixture with the main components hydrogen and carbon monoxide.

Claims

Patentansprüche claims
Reaktor (1) zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen (10), wobei Reactor (1) for thermal cracking of hydrocarbons (10), wherein
der Reaktor (1) einen Plasmaabschnitt (2) aufweist, the reactor (1) has a plasma section (2),
- in dem ein Plasmabrenner (3) mit mindestens zwei Elekt¬ roden angeordnet ist, in which a plasma torch (3) with at least two electrodes is arranged,
- wobei der Plasmabrenner (3) einen Einlass (4) für Plasmagas (30) aufweist und dazu eingerichtet ist, ein Plasma mit dem Plasmagas (30) in einem Plasmabereich (5) zu erzeugen,  - wherein the plasma torch (3) has an inlet (4) for plasma gas (30) and is adapted to generate a plasma with the plasma gas (30) in a plasma region (5),
- der Plasmaabschnitt (2) mindestens eine Einlassöffnung (6) für Kohlenwasserstoffe (10) aufweist um die Kohlenwas¬ serstoffe (10) durch Wärme des Plasmas thermisch zu spal¬ ten, - the plasma section (2) at least one inlet opening (6) for hydrocarbons (10) to the hydro- Kohlenwas ¬ (10) by heat of the plasma thermally spal ¬ th,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- der Reaktor (1) mindestens zwei gleichartige Kanalab¬ schnitte (7) aufweist, welche von dem Plasmaabschnitt (2) abgehen, wobei - The reactor (1) has at least two similar Kanalab ¬ sections (7), which depart from the plasma section (2), wherein
- über die gleichartigen Kanalabschnitte (7) die thermisch gespaltenen Kohlenwasserstoffe (10) von einem Zentrum des Plasmaabschnitts (8) wegleitbar sind.  - About the same channel sections (7), the thermally broken hydrocarbons (10) from a center of the plasma section (8) are wegleitbar.
Reaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (6) oder die Einlassöffnungen (6) für Kohlenwasserstoffe (10) äquidistant zu zwei Kanalabschnit¬ ten (7) angeordnet sind. Reactor (1) according to claim 1, characterized in that the inlet opening (6) or the inlet openings (6) for hydrocarbons (10) are arranged equidistant from two Kanalabschnit ¬ th (7).
Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (6) oder die Einlassöffnungen (6) auf den Plasmabereich (5) ausgerichtet sind. Reactor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet opening (6) or the inlet openings (6) are aligned with the plasma region (5).
Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Einlassöff¬ nungen (6) für Kohlenwasserstoffe (10) in einer Ebene (9) in der Mitte zwischen zwei Kanalabschnitten (7) angeordnet ist . Is arranged reactor (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of voltages Einlassöff ¬ (6) for hydrocarbons (10) in a plane (9) in the middle between two duct sections (7).
Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanalabschnitt (7) ei¬ nen Einleitungsbereich (11) für CO2 (40) aufweist. Reactor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that each channel section (7) has ei ¬ NEN application area (11) for CO 2 (40).
Reaktor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (Dl) des Einleitungsbereichs (11) für CO2 (40) vom Zentrum des Plasmaabschnitts (8) 0,3 m bis 1,5 m be¬ trägt . Reactor (1) according to claim 5, characterized in that the distance (Dl) be wearing the input portion (11) for CO 2 (40) from the center of the plasma section (8) is 0.3 m to 1.5 m ¬.
Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanalabschnitt (7) ei¬ nen Einleitungsbereich (12) für H2O (50) aufweist. Reactor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that each channel section (7) ei ¬ NEN application area (12) H 2 O (50).
Reaktor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (D2) des Einleitungsbereichs (12) für H2O (50) vom Zentrum des Plasmaabschnitts (8) 0,3 m bis 2,5 m be¬ trägt . Reactor (1) according to claim 7, characterized in that the distance (D2) of the lead-in area (12) from the center of the plasma portion be wearing H 2 O (50) (8) 0.3 m to 2.5 m ¬.
Reaktor (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungsbereiche (11,12) eine Vielzahl von Einströmöffnungen (15,17) aufweisen, wobei die Einströmöffnungen (15,17) über den Umfang der jeweiligen Kanalabschnitte (7) verteilt angeordnet sind. Reactor (1) according to one of claims 5 to 8, characterized in that the introduction regions (11, 12) have a multiplicity of inlet openings (15, 17), wherein the inlet openings (15, 17) extend over the circumference of the respective channel sections (7, 7) ) are arranged distributed.
Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner (3) eine innere Elektrode und eine äußere, ringförmige Elektrode aufweist, wobei der Plasmabrenner (3) zwischen äußerer und innerer Elektrode einen ringförmigen Einlass (4) für Pias magas (30) aufweist, wobei die innere Elektrode eine Ein¬ lassöffnung (6) für Kohlenwasserstoffe (10) aufweist. Reactor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the plasma torch (3) has an inner electrode and an outer, annular electrode, wherein the plasma torch (3) between outer and inner electrode having an annular inlet (4) for Pias magas (30), wherein the inner electrode has a ¬ A port (6) for hydrocarbons (10).
Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Plasmaabschnitt (2) zwei Plasmabrenner (3) angeordnet sind, wobei die Plasmab renner (3) äquidistant zum Zentrum des Plasmaabschnitts (8) angeordnet sind. Reactor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that two plasma torches (3) are arranged in the plasma section (2), wherein the plasma separators (3) are arranged equidistantly to the center of the plasma section (8).
12. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Plasmaabschnitt (2) drei Plasmabrenner (3) angeordnet sind, welche äqui¬ distant zum Zentrum des Plasmaabschnitts (8) angeordnet sind, wobei der Reaktor (1) drei Kanalabschnitte (7) auf¬ weist. 12. Reactor (1) according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that in the plasma section (2) three plasma torches (3) are arranged, which are arranged equi ¬ distant to the center of the plasma section (8), wherein the reactor (1) has three channel sections (7) on ¬ .
13. Reaktor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, 13. Reactor (1) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (7) in einem Abstand vom Zentrum des Plasmaabschnitts (8), wel¬ cher mindestens 1 m größer ist als der Abstand (D2) des letzten Einleitungsbereichs (12), in Produktleitungsab¬ schnitte (13) übergehen. characterized in that the channel sections (7), (8), wel ¬ cher at least 1 m is greater at a distance from the center of the plasma portion than the distance (D2) of the last lead-in area (12) pass into Produktleitungsab ¬ sections (13).
14. Verfahren zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen (10) mit einem Reaktor (1) der vorangehenden Ansprüche mit mehreren Einlassöffnungen (6) für Kohlenwasserstoffe (10), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Einlassöff¬ nungen mit variablen und voneinander abweichenden Drücken und/oder Massenströmen der eingeleiteten Kohlenwasserstoffe (10) betrieben werden. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet, durch Erfassung der Position eines Plasmabereichs (5) in dem Plasma abschnitt (2), Regeln von Drücken und/oder Massenströmen von Kohlenwasserstoffen (10) an mindestens zwei Einlass¬ öffnungen (6) derart, dass der Plasmabereich (5) in das Zentrum des Plasmaabschnitts (8) verlagert wird. 14. A process for the thermal cracking of hydrocarbons (10) comprising a reactor (1) of the preceding claims having a plurality of inlet openings (6) for hydrocarbons (10), characterized in that at least two Einlassöff ¬ voltages at variable and mutually different pressures and / or Mass flows of the introduced hydrocarbons (10) are operated. A method according to claim 14, characterized by detecting the position of a plasma region (5) in the plasma section (2), regulating pressures and / or mass flows of hydrocarbons (10) at at least two inlet ¬ openings (6) such that the plasma region (5) is displaced into the center of the plasma section (8).
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