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DE60016159T2 - Vorrichtung für die Pyrolyse von Wasserstoffgas - Google Patents

Vorrichtung für die Pyrolyse von Wasserstoffgas Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pyrolysieren eines Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, um eine organische Verbindung auf Olefinbasis oder ein synthetisches Gas zu erzeugen, das Wasserstoff oder eine organische Verbindung auf Olefinbasis enthält.
  • Aus US-A-4,044,068 ist eine Vorrichtung für das autothermische Cracken von Ethan zu Ethylen bekannt. Diese herkömmliche Vorrichtung umfasst ein längliches Gehäuse, eine Einrichtung zum Erzeugen von Ethan, eine Auslasseinrichtung zum Ausgeben einer Reaktionsmischung, eine Vielzahl von Reaktionseinheiten aus porösen Rohren und eine Einrichtung zum Einführen von Sauerstoff in die Röhren.
  • Aus US-A-3,741,736 ist eine Vorrichtung zum Vorbereiten von Azetylen-Ethylen-Mischungen durch eine Reaktion von wenigstens einem leicht gesättigten Kohlenwasserstoff mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas in einer Diffusionsflamme bekannt. Die Diffusionsflamme wird in einer Brennkammer mit wenigstens einer Düse für das Zuführen des Kohlenwasserstoffes und einem Flusskanal um die Düse herum für das Zurühren von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas erzeugt. Die Düse und der Kanal führen Gas mit einem Moment zu, das ausreicht, um einen turbulenten Strom zu erzeugen.
  • Aus US-A-2,548,759 ist eine Vorrichtung für die Erzeugung von Diolefinkohlenwasserstoffen aus Kohlenwasserstoffen bekannt, wobei Sauerstoff durch ein poröses feuerfestes Glied eingeführt werden kann, um eine Mischung der Kohlenwasserstoffzufuhr mit dem Sauerstoff vorzusehen und eine Teiloxidation zu erreichen.
  • Aus US-A-5,583,240 ist eine Vorrichtung für die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen unter Verwendung von Sauerstoff bekannt. Diese herkömmliche Vorrichtung ist ein Reaktor mit mehreren Röhren, wobei Kohlenwasserstoff durch eine Einlassöffnung oben am Reaktor in eine mit jeder Röhre verbundene Einlassplenumkammer eingeführt wird. Sauerstoff wird in die Schale des Reaktors eingeführt. Das resultierende Produkt kann durch die Röhren austreten. Ein Kühlabschnitt ist vorgesehen, um die Reaktionsprodukte zu kühlen.
  • Schließlich gibt EP-A-607 862 eine Vorrichtung zum Erhalten von Kohlenwasserstofföl aus Abfallkunststoffmaterialien oder Abfallgummimaterialien an. Diese herkömmliche Vorrichtung umfasst einen Thermocrackabschnitt, um ein thermisches Cracken von Abfallkunststoffmaterialien oder Abfallgummimaterialien zu bewerkstelligen und ein thermisches Crackprodukt zu erhalten; einen Abschnitt für ein katalytisches Cracken, in dem das thermisch Crackprodukt einem katalytischen Cracken unterworfen wird, um ein katalytisches Crackprodukt zu erhalten; einen Kühlabschnitt zum Kühlen des katalytischen Crackprodukts, um ein erstes Kohlenwasserstofföl zu erhalten; einen Oligomerisierungsabschnitt, in dem die Crackgaskomponente einer Oligomerisierung unterworfen wird, indem Polymerisierungskatalysatoren verwendet werden, um ein zweites Kohlenwasserstofföl zu erhalten; und einen Wiederherstellungsabschnitt, um das erste und das zweite Kohlenwasserstofföl wiederherzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases anzugeben, die nicht auf eine hohe Temperatur erhitzt werden muss, sodass sie mit reduzierten Betriebskosten betrieben werden kann und weniger verformt wird.
  • Die Vorrichtung der Erfindung sieht ein rasche Abkühlung des pyrolysierten Gases vor, um die Betriebskosten zu reduzieren und das Ertragsverhältnis des nutzbaren Gases zu erhöhen.
  • Die Vorrichtung der Erfindung umfasst eine Zersetzungsreaktionssäule mit einem Einlass, der an einem Ende derselben vorhanden ist und über den ein Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, in diese hinein zugeführt werden kann; einen Auslass, der am anderen Ende derselben vorhanden ist und über den ein Gas einer organischen Verbindung auf Olefinbasis, das erzeugt wird, abgeleitet werden kann; eine Gruppe poröser Röhren, die sich vertikal innerhalb der Reaktionssäule erstrecken; ein Kopfteil, das mit den porösen Röhren verbunden ist, um den porösen Röhren Luft oder Sauerstoff zuzuführen; wobei das Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, an der Außenseite der porösen Röhren entlanggeleitet wird, und wobei die Luft bzw. der Sauerstoff aus dem Inneren in einer Richtung senkrecht zu dem Strom von Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, homogen auf die Außenseite der porösen Röhren geblasen wird und ein Zündsystem vorhanden ist, um eine Diffusionsflammenschicht an der Außenfläche der porösen Röhren zu erzeugen, und die Diffusionsflammenschicht als eine Wärmequelle dient, die erforderlich ist, damit das Kohlenwasserstoffgas eine Radikalenreaktion durchlaufen kann.
  • Bevorzugte Ausführungsformen und andere Verbesserungen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
  • Um die vorstehend genannte Diffusionsflammenschicht zu bilden, lässt man ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, gleichmäßig durch einen Zwischenraum zwischen verschiedenen porösen Röhren strömen, die eine Gruppe von porösen Röhren bilden, die sich vertikal in einer Zersetzungsreaktionssäule erstrecken. Dann wird Luft oder Sauerstoff homogen aus dem Inneren der porösen Röhren zu der Außenseite der porösen Röhren in einer Richtung senkrecht zu dem Strom des zu zersetzenden Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, geblasen. Das zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, wird dann gezündet, um eine Diffusionsflammenschicht auf der Außenfläche der porösen Röhren zu bilden. Alternativ hierzu lässt man Luft oder Sauerstoff gleichmäßig durch den Zwischenraum zwischen verschiedenen porösen Röhren strömen, die eine Gruppe von porösen Röhren bilden, die sich vertikal in einer Zersetzungsreaktionssäule erstrecken. Ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, wird in die porösen Röhren eingeführt. Luft oder Sauerstoff wird dann homogen von der Außenseite der porösen Röhren in das Innere der porösen Röhren in einer Richtung senkrecht zu dem Strom eines zu zersetzenden Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, geblasen.
  • Weiterhin ist in der Vorrichtung der Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Abkühlungseinrichtung zum raschen Abkühlen des Gases neben dem Pyrolyseteil mit den porösen Röhren vorgesehen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Diagramm, das das Konzept der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem ersten Beispiel der Erfindung darstellt.
  • 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils A in 1 und 3.
  • 3 ist eine Diagramm, das das Konzept der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, gemäß dem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt.
  • 4 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht des Doppelröhrenteils von 3.
  • 5 ist ein Diagramm, das die Feststartmaterial-Vergasungsvorrichtung zeigt, die mit der Pyrolysevorrichtung gemäß der Erfindung verbunden ist.
  • 6 ist ein Diagramm, das das Konzept der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases mit einer Gasschnellkühlsäule gemäß dem dritten Beispiel der Erfindung zeigt.
  • 7 ist eine Draufsicht auf einen Gasschnellkühlteil der Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases von 6.
  • Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den folgenden Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist ein Diagramm, das das Konzept einer Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem ersten Beispiel der Erfindung darstellt. In diesem Diagramm gibt das Bezugszeichen 1 eine Zersetzungsreaktionssäule an, die an ihrem oberen Teil einen Diffusor 2 und an ihrem unteren Teil einen Reduzierer 3 aufweist. In der Zersetzungsreaktionssäule 1 erstreckt sich eine Gruppe von porösen Röhren. Die Reaktionssäule kann zylindrisch oder prismatisch geformt sein.
  • Die verschiedenen porösen Röhren der oben genannten Gruppe von porösen Röhren sind jeweils aus einem porösen Metall- oder Metallfilmmaterial mit einer Porengröße im MF (Mikrofilterung)- oder UF (Ultrafilterung)-Bereich ausgebildet. Als poröses Metall- oder Metallfilmmaterial kann SUS, Werkzeugstahl, Inconel, eine Titanlegierung, eine Aluminiumlegierung oder ähnliches verwendet werden.
  • Die verschiedenen porösen Röhren 4 sind an ihrem oberen Ende geschlossen und an ihrem unteren Ende mit einem Kopfteil 5 verbunden. Das Kopfteil 5 ist eine hohle Platte. Von der oberen Fläche des Kopfteils 5 stehen nicht-poröse Röhren 7 vor, die mit den oben genannten porösen Röhren 4 jeweils über ein Gelenk 6 verbunden sind.
  • Am unteren Ende des Diffusors 2 und über der Gruppe der porösen Röhren ist ein Distributor 8 vorgesehen. In dem Zwischenraum zwischen den Außenflächen der oberen Teile der verschiedenen porösen Röhren 4 ist ein Zündsystem 9 vorgesehen.
  • Der Diffusor 2 ist mit einem Einlass 2a versehen, durch den ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas wie etwa ein Paraffingas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt werden kann. Der Reduzierer 3 ist mit einem Auslass 3a versehen, durch den ein durch die Zersetzung und Reinigung erhaltenes Gas wie etwa ein Olefingas aus der Zersetzungsreaktionssäule ausgeführt wird. Das Kopfteil 5 ist mit einer Düse 5a versehen, durch die Luft oder Sauerstoff in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt wird.
  • Im Folgenden wird der Betrieb der Zersetzungsreaktionssäule 1 beschrieben.
  • Ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, wird über einen Einlass 2a in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt, durch den Distributor gerichtet und strömt dann von dem oberen Teil der Reaktionssäule 1 gleichmäßig durch den Zwischenraum zwischen den verschiedenen porösen Röhren 4.
  • Separat dazu wird Luft oder Sauerstoff, die bzw. der durch die Zuführdüse 5a in die Reaktionssäule 1 eingeführt wurde, homogen aus den porösen Röhren durch die Poren in dem porösen Metallmaterial in einer Richtung senkrecht zu dem Strom des zu zersetzenden Kohlenwasserstoffgases, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der porösen Röhren geblasen.
  • Wenn die gasförmige Mischung unter diesen Bedingungen durch das Zündsystem 9 gezündet wird, wird eine Diffusionsflammenschicht B auf der Außenfläche der porösen Röhren 4 wie in 2 gezeigt gebildet. Mit dieser Diffusionsflammenschicht als Wärmequelle wird das zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas wie etwa Paraffingas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, einer Radikalenreaktion (einer Reaktion der freien Radikale) unterzogen, um eine gasförmige organische Verbindung auf Olefinbasis mit einer chemischen Zusammensetzung mit kürzeren Ketten oder ein synthetisches Gas zu erzeugen, das Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und eine gasförmige organische Verbindung auf Olefinbasis enthält und eine chemische Zusammensetzung mit kürzeren Ketten aufweist.
  • 3 ist ein Diagramm, das das Konzept einer Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt. Weil sich das vorliegende Beispiel nur dadurch von dem ersten Beispiel unterscheidet, dass nicht-poröse Röhren 10 konzentrisch zu den porösen Röhren 4 um den Umfang der porösen Röhren 4 herum mit dazwischen einem Zwischenraum vorgesehen sind, wird auf eine wiederholte Beschreibung des restlichen Aufbaus verzichtet: Wie im Detail in 4 gezeigt, lässt man Luft durch die innere Röhre einer Doppelröhre strömen, die sich aus dem porösen Rohr 4 als Innenröhre und der nicht-porösen Röhre 10 als Außenröhre zusammensetzt, während ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, durch den Raum (Doppelröhrenteil) strömt, der durch die Innenröhre und die Außenröhre definiert wird, damit das zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas wie in dem ersten Beispiel einer Radikalenreaktion unterzogen wird, um eine gasförmige organische Verbindung auf Olefinbasis mit einer chemischen Zusammensetzung mit kürzeren Ketten oder ein synthetisches Gas zu erzeugen, das Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und eine gasförmige organische Verbindung auf Olefinbasis enthält und eine chemische Zusammensetzung mit kürzeren Ketten aufweist.
  • Gemäß dem vorstehenden Beispiel strömt Luft oder Sauerstoff aus dem Inneren der porösen Röhren 4 zu der Außenseite der porösen Röhren 4, während ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, entlang der Außenflächen der porösen Röhren 4 strömt. Es kann aber auch ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, im Inneren der porösen Röhren 4 strömen, während Luft oder Sauerstoff von der Außenseite der porösen Röhren 4 in das Innere der porösen Röhren 4 strömt.
  • Weiterhin wird gemäß dem oben beschriebenen Beispiel ein zu zersetzendes Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, in die Zersetzungsreaktionssäule 1 eingeführt. Wie in 5 gezeigt, kann auch ein Gas durch einen Prozess erzeugt werden, der das Zuführen eines festen Startmaterials wie etwa Abfallkunststoff in eine Vergasungsvorrichtung 11 sowie das Erhitzen durch eine Erhitzungsvorrichtung 13 für eine Zersetzung zu einem Gas und einem Reststoff umfasst, wobei das zersetzte Gas dann durch den Einlass 2a in die Reaktionssäule 1 eingeführt wird.
  • In Übereinstimmung mit dem vorstehenden Beispiel weist die Zersetzungsreaktionssäule 1 den Einlass 2a an ihrem oberen Teil und den Auslass 3a an ihrem unteren Teil auf. Die Zersetzungsreaktionssäule 1 kann aber auch den Einlass 2a an ihrem unteren Teil und den Auslass 3a an ihrem oberen Teil aufweisen.
  • 6 ist ein Diagramm, das das Konzept einer Vorrichtung für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffgases gemäß dem ersten Beispiel der Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform weist der obere Teil der Reaktionssäule den gleichen Aufbau auf wie in der ersten Ausführungsform, während der untere Teil einer Gasschnellkühlsäule 100 für das in dem oberen Teil erzeugte pyrolysierte Gas entspricht. Kühlmittelsprühröhren 14 sind entlang eines inneren Umfangteils der Gasschnellkühlsäule 100 angeordnet.
  • Im Folgenden wird der Betrieb der Vorrichtung beschrieben.
  • Das in der Reaktionssäule pyrolysierte Gas wird wie in 6 gezeigt direkt von der Reaktionssäule zu der Gasschnellkühlsäule 100 ausgegeben. Wie in 6 und 7 gezeigt wird ein Kühlmittel von einem Schlitz oder einem Sprühloch in den Kühlmittel-Sprühröhren 14 zu dem Gasflusspfad derart gesprüht, dass das Kühlmittel schräg in Bezug auf das Zentrum des Gaskühlungsteils gesprüht wird, um einen spiralförmigen Luftfluss in dem Gasschnellkühlteil wie in 7 gezeigt zu erreichen. Die Kühlmittel-Sprühröhren 14 sind in der Gasschnellkühlsäule 100 angeordnet, um das in dem oberen Teil der Reaktionssäule 1 erzeugte Gas schnell zu kühlen.
  • Im Gegensatz zu den herkömmlichen Zersetzungsprozessen und -vorrichtungen ist die Pyrolysevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Kohlenwasserstoffgas durch die Verdampfung von Naphta oder ähnlichem, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, erhaltenes Gas in direkten Kontakt mit Luft oder Sauerstoff treten kann, um eine Diffusionsflammenschicht zu bilden, wobei dann die Mischung einer Radikalenreaktion mit der Diffusionsflammenschicht als Wärmequelle unterzogen wird.
  • Unter Verwendung der Vorrichtung der Erfindung kann eine gewünschte organische Gasverbindung auf Olefinbasis oder ein gewünschtes synthetisches Gas, das Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und eine organische Gasverbindung auf Olefinbasis enthält, mit einer chemischen Zusammensetzung mit kurzen Ketten erzeugt werden, ohne dass hierzu ein Prozess mit einer hohen Temperatur oder einem hohen Druck erforderlich ist, wodurch die Betriebskosten reduziert werden können und eine Verformung vermieden werden kann.
  • Außerdem kann das erzeugte Gas nach der Radikalenreaktion rasch gekühlt werden, wodurch der Ertrag des gewünschten Gases erhöht werden kann.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Pyrolysieren eines Kohlenwasserstoffgases, die umfasst: eine Zersetzungsreaktionssäule (1) mit einem Einlass, der an einem Ende derselben vorhanden ist und über den ein Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, in diese hinein zugeführt werden kann; einen Auslass, der am anderen Ende derselben vorhanden ist und über den ein Gas einer organischen Verbindung auf Olefinbasis, das erzeugt wird, abgeleitet werden kann; eine Gruppe poröser Röhren (4), die sich vertikal innerhalb der Reaktionssäule erstrecken; ein Kopfteil, das mit den porösen Röhren verbunden ist, um den porösen Röhren Luft oder Sauerstoff zuzuführen; wobei das Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, an der Außenseite der porösen Röhren (4) entlanggeleitet wird; und wobei die Luft bzw. der Sauerstoff aus dem Inneren in einer Richtung senkrecht zu dem Strom von Kohlenwasserstoffgas, das optional mit Wasserdampf gemischt ist, homogen auf die Außenseite der porösen Röhren (4) geblasen wird und ein Zündsystem (9) vorhanden ist, um eine Diffusionsflammenschicht (B) an der Außenfläche der porösen Röhren (4) zu erzeugen, und die Diffusionsflammenschicht als eine Wärmequelle dient, die erforderlich ist, damit das Kohlenwasserstoffgas eine Radikalreaktion durchlaufen kann.
  2. Vorrichtung zum Pyrolysieren eines Kohlenwasserstoffgases nach Anspruch 1, wobei eine nicht-poröse Röhre (7) konzentrisch zu den porösen Röhren (4) den Umfang der porösen Röhren umgebend vorhanden ist.
  3. Vorrichtung zum Pyrolysieren eines Kohlenwasserstoffgases nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Verteiler (8) an der Einlassseite der Zersetzungsreaktionssäule (7) vorhanden ist.
  4. Vorrichtung zum Pyrolysieren eines Kohlenwasserstoffgases nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, das des Weiteren umfasst: einen Gaskühlabschnitt (100), der direkt mit der Zersetzungsreaktionssäule (1) verbunden ist.
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