Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas. Der Begriff „Siedepunkt" bezeichnet dabei den Siedepunkt bei Normdruck (101325 Pa).

Die Ausbeutung von Erdgasvorkommen, die sehr weit entfernt von potentiellen Verbrauchern liegen (sogenannte stranded gas-Felder) ist derzeit wirtschaftlich oft nicht sinnvoll wegen des hohen Aufwands für den Abtransport des Gases durch eigens zu errichtende Leitungen oder mittels Tankschiffen oder Tankfahrzeugen. Entsprechendes gilt für Erdgaslagerstätten mit begrenzter Kapazität bzw. niedrigem Druck des Erdgases (z.B. im Endstadium der Ausbeutung einer natürlichen Erdgaslagerstätte) sowie für andere Quellen fossiler oder synthetisch erzeugter methanhaltiger Gase, für deren stoffliche oder energetische Nutzung kein lokaler Markt existiert. Fossile bzw. synthetisch erzeugte methanhaltige Gase aus anderen Quellen als Erdgasvorkommen sind beispielsweise bei der Erdölförderung anfallendes Erdöl-Begleitgas, Biogas, Flözgas (Coal Bed Gas), Grubengas, Deponiegas und durch Methanisieren von Kohlendioxid gebildetes Methan.

Der einer stofflichen oder energetischen Nutzung von derartigen methanhaltigen Gasen oft entgegenstehende zusätzliche Aufwand für den Abtransport des Gases kann durch Umwandlung in Flüssigkeiten vermindert werden. Durch die Umwandlung vom gasförmigen in den flüssigen Zustand ist eine Volumenreduktion um mehrere Größenordnungen erreichbar. Erfolgt die Verflüssigung des gereinigten methanhaltigen Gases durch Küh- lung und Kompression, so wird als Produkt CNG („Compressed natural gas") oder LNG („Liquefied Natural Gas") erhalten. Um dieses im flüssigen Zustand zu halten, müssen auch beim Transport Kompression und Kühlung aufrechterhalten werden. Als Alternative kommt die Erzeugung unter Normalbedingungen (d.h. beim Normdruck von 101325 Pa) flüssiger Substanzen aus dem gereinigten methanhaltigen Gas durch chemische Umwandlungsprozesse in Betracht („Gas to Liquid' -Prozess). Dies erfordert allerdings die Einrichtung der für die chemischen Prozesse einschließlich erforderlicher vorgelagerter Reinigungsstufen (z.B. Entschweflung) nötigen Vorrichtungen in unmittelbarer Nähe zur Quelle des methanhaltigen Gases, beispielsweise in der Nähe einer Förderanlage zur Ausbeutung eines stranded gas-Vorkommens.

Anderson et al. beschreiben in einem Zeitschriftenartikel (Fuel 81 (2002) 909-925) ein Verfahren zur Umwandlung von Erdgas über Acetylen als Zwischenprodukt zu flüssigen Treibstoffen. Das Verfahren umfasst als ersten Schritt die Umwandlung von Methan zu Acetylen mittels eines thermischen Plasmas, das durch Kontakt mit den Reaktorwänden oder aerodynamisch durch Expansion mittels einer Überschalldüse gequencht wird, und als zweiten Schritt die Umwandlung von Acetylen in flüssige Produkte in einem katalyti- schen Prozess. Das Verfahren ist insbesondere zur Anwendung an abgelegenen Erdgas- Förderstätten, z.B. an der Nordküste von Alaska vorgesehen, für die der Bau einer Gaspipeline zum Abtransport des Gases unrentabel ist. Der Veröffentlichung ist nicht zu entnehmen, auf welche Weise die für das Plasma nötige elektrische Energie bereitgestellt werden soll. Der dem Plasmaprozess nachgelagerte katalytische Prozess erfordert eine Reinigung des Erdgases, insbesondere Entschwefelung, und die Bildung von Ruß muss vermieden werden.

Tonkovich et al. beschreiben in der Veröffentlichung„Gas-to-Liquids Conversion of Asso- ciated Gas Enabled by Microchannel Technology" (White paper, Velocys © 2009, http://www.velocys.com/ocgf06.php) die Umwandlung von Erdöl-Begleitgas an oder in der Nähe der Erdölförderanlage durch eine Kombination aus katalytischer Dampfreformie- rung des Methans und Fischer-Tropsch-Synthese in einem Mikrokanalreaktor zu„synthetischem Rohöl", das in den geförderten Rohölstrom eingespeist werden kann. Sowohl die Dampfreformierung des Methans als auch die Fischer-Tropsch-Synthese werden in Gegenwart von Katalysatoren durchgeführt. Dabei besteht das Risiko einer Deaktivierung der Katalysatoren, z.B. durch Ablagerung von Ruß oder durch im Erdöl-Begleitgas enthaltene Verunreinigungen. Die Katalysatoren für die Fischer-Tropsch-Synthese sind insbesondere empfindlich gegenüber Vergiftungen durch schwefelhaltige Verbindungen. Daher ist es unbedingt erforderlich, vor der Fischer-Tropsch-Synthese alle Schwefel- Verbindungen aus dem Gasstrom zu entfernen (siehe auch Steve LeViness et al, „Improved Fischer-Tropsch Economics Enabled by Microchannel Technology", White paper, Velocys © 201 1 http://www.velocys.com/ocgf06.php). Die Entschweflung erfolgt üblicherweise bei 350 °C bis 400 °C in einem katalytischen Prozess. Das für die Wasser- dampfreformierung notwendige Temperaturniveau (700 °C bis 1 100 °C) wird durch katalytische Verbrennung von Wasserstoff im Mikrokanalreaktor erzeugt. Das Verfahren umfasst also insgesamt bis zu vier katalysierte Prozessschritte, jeder verbunden mit der Gefahr der Deaktivierung der beteiligten Katalysatoren. Um ein für die Fischer-Tropsch- Synthese-Stufe optimales CO:H ₂ -Verhältnis von 1 :2 einzustellen, ist es notwendig, in einem Zwischenschritt nach der Dampf reform ierungsstufe Wasserstoff aus dem Prozessgas abzutrennen. Bei den eingesetzten Mikrokanalreaktoren besteht die Gefahr der Verblockung einzelner Zellen bzw. Kanäle. Für eine Gesamt-Prozessführung im Sinne einer optimalen Energieintegration ist es nachteilig, dass der Prozess ein gestuftes Temperaturniveau aufweist (350 °C bis 400 °C für die katalytische Entschwefelung, 700 °C bis 1 100 °C für die Wasserdampf reformierung, 210 °C für die Fischer-Tropsch-Synthese). Das Verfahren und die dafür nötige Vorrichtung sind also relativ komplex und weisen zahlreiche Schwachstellen auf, was den Einsatz in unmittelbarer Nähe zur Quelle fossilen oder synthetisch erzeugten methanhaltigen Gases, beispielsweise in der Nähe einer Förderanlage zur Ausbeutung eines stranded gas-Vorkommens, erschwert.

In der WO 2012/175279 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Modifizierung eines methanhaltigen Gasvolumenstroms, z.B. eines Erdgasstroms, umfassend die Schritte: i) Entnahme mindestens eines Teilvolumenstroms aus einem methanhaltigen Gasvolumenstrom, ii) Behandlung des Teilvolumenstroms mit einem elektrisch erzeugten Plasma unter Erzeugung einer modifizierten Gaszusammensetzung, die einen geringeren Anteil an Methan umfasst als der eingesetzte methanhaltige Gasvolumenstrom und iii) Rückführung von modifizierter Gaszusammensetzung in den methanhaltigen Gasvolumenstrom. Mittels dieses Verfahrens wird ein Teil des Methans aus dem methanhaltigen Gasvolumenstrom zu Wasserstoff und höheren Kohlenwasserstoffen umgesetzt, und der behandelte Teilvolumenstrom erhält einen höheren Brennwert als der methanhaltige Gasvolumenstrom. Dieses Verfahren soll es ermöglichen, elektrische Energie, insbesondere überschüssige aus erneuerbaren Quellen erzeugte Energie in eine speicherbare Form zu überführen. Die Umwandlung von Methan in unter Normalbedingungen flüssige Verbindungen wird nicht beschrieben.

US 201 1/0054231 A1 offenbart ein Verfahren, worin Erdgas mit externen Wasserstoffquellen zu reaktiven Kohlenwasserstoffen umfassend Acetylen umgewandelt wird und die reaktiven Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden, um flüssige Kohlenwasserstoffe zu bilden. Ein Plasma wird in diesem Verfahren nicht angewendet. WO 2012/135515 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Brennstoffs, wobei das Verfahren umfasst: eines ersten Reaktanten einem Reaktor zuzuführen, wobei der erste Reaktant ein oder mehrere leichte Gase umfasst, den ersten Reaktanten einem nicht-thermischen Plasma auszusetzen unter Bedingungen ausreichend zur Erzeugung von Synthesegas und freien Radikalen, einen ersten Flüssigbrennstoffzufuhr dem Reaktor zuzuführen, und das aus dem ersten Reaktant erzeugte Synthesegases und die freien Radikale mit dem ersten Flüssig brennstoffzufuhr im Reaktor in innigen Kontakt zu bringen, um einen modifizierten Flüssigbrennstoff zu erzeugen.

EP 0 289 391 A1 offenbart ein Verfahren zur thermischen Umwandlung von Methan in Kohlenwasserstoffe höheren Molekulargewichts in einer keramischen Reaktionszone mit einem Satz von nebeneinanderliegenden Kanälen, die in Reihen gruppiert sind und sich zumindest über einen Teil der gesamten Reaktionszone parallel zu deren Achse erstrecken, wobei die Reihen von Kanälen nicht zueinander benachbart sind, und die Reaktionszone außerdem einerseits eine Heizzone umfasst, die im wesentlichen die Kanalrei- hen umgibt, entweder auf dem genannten Teil der Reaktionszone oder auf einem Teil der Länge der Reaktionszone, wenn die Kanäle sich über die gesamte Länge der Reaktionszone erstrecken, und andererseits eine Kühlzone, die eine Verlängerung der Heizzone ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein methanhaltiges Gas in den Kanälen der Reihen zirkuliert, die Heizzone mittels elektrischet Energiezufuhr beheizt wird durch aufeinander- folgende, unabhängige transversale Abschnitte im wesentlichen senkrecht zur Achse der Reaktionszone und im wesentlichen parallel zu der Ebene der Reihen und dicht gegenüber den Kanälen der Reaktionszone, eine Kühlflüssigkeit in die Kühlzone eingeführt wird, und die Kohlenwasserstoffe mit höheren Molekulargewichten am Ende der Reaktionszone gesammelt werden. Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen zum Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas. Bei der Entwicklung einer Lösung für die vorstehende Aufgabe sind das typischerweise begrenzte Platzangebot am Einsatzort der Vorrichtung in der Nähe einer Methanquelle wie oben beschriebenen zu berücksichtigen, sowie die Tatsache, dass dort das Angebot an verfügbaren Co- Reaktanten und Betriebsstoffen für chemische Prozesse typischerweise eingeschränkt ist, und elektrische Energie nicht ohne weiteres in beliebiger Menge von außen, z.B. über das Stromnetz, verfügbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungs- gemäßes Verfahren zum Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C (bei Normdruck) oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas umfasst

eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases

mindestens einen Reaktor zum plasma-unterstützten Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas, wobei dieser Reaktor umfasst:

einen ersten Reaktorabschnitt, in welchem

Mittel zum Zuführen mindestens eines Plasmagases,

Mittel zum Erzeugen eines Plasmas mit einer Temperatur größer als 5000 K mit dem zugeführten Plasmagas,

und Mittel zum Abkühlen des Plasmagases auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K

angeordnet sind;

einen in Strömungsrichtung des Plasmagases auf den ersten Reaktorabschnitt folgenden zweiten Reaktorabschnitt, in welchem

Mittel zum Zuführen eines aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenen Methan enthaltenden Eduktgases zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K abgekühlten Plasmagas angeordnet sind, wobei dieser Reaktorabschnitt so eingerichtet ist, dass ein Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird;

einen in Strömungsrichtung des Produktgases auf den zweiten Reaktorabschnitt folgenden dritten Reaktorabschnitt, in welchem

Mittel angeordnet sind, um das im zweiten Reaktorabschnitt gebildete Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid so in Kontakt zu bringen, dass ein gequenchtes Produktgas mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird;

wobei die Mittel zum Zuführen eines Methan enthaltenden Eduktgases und die Mittel, um das Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt zu bringen, dazu eingerichtet sind, ein Verhältnis von Methan im Eduktgas zu Methan im Quenchfluid im Bereich von 3:1 bis 1 :3 einzustellen

wobei

(i) der Reaktor dazu eingerichtet ist, ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden

oder

(ii) der Reaktor einen oder mehrere weitere Reaktorabschnitte umfasst zum Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases, um eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas umfasst die Schritte

Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases

plasma-unterstütztes Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas, umfassend:

Zuführen mindestens eines Plasmagases, Erzeugen eines Plasmas mit einer Temperatur größer als 5000 K mit dem zugeführten Plasmagas, und anschließend Abkühlen des Plasmagases auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K;

Zuführen eines aus dem bereitgestellten Methan enthaltenden Gas entnommenen Methan enthaltenden Eduktgases zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K abgekühlten Plasmagas und Bilden eines Produktgases enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend Ethylen und Acetylen;

in Kontakt Bringen des Produktgases mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid, so dass ein gequenchtes Produktgas mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird;

wobei ein Verhältnis von Methan im Eduktgas zu Methan im Quenchfluid im Bereich von 3: 1 bis 1 :3 eingestellt wird

wobei (i) ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet wird oder

(ii) das gequenchte Produktgas weiterbehandelt wird, um eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden.

Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltene Reaktor zum plasma-unterstützten Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas umfasst mindestens drei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Reaktorabschnitte, wobei die Temperatur vom ersten zum dritten Reaktorabschnitt abfällt. Die einzelnen Reaktorabschnitte unterscheiden sich voneinander hinsichtlich der Temperatur und der Gaszusammensetzung. Der erste Reaktorabschnitt ist der Plasmaerzeugungsbereich des Reaktors. Der folgende, zweite Reaktorabschnitt ist der plasmanahe Bereich, und der darauffolgende, dritte Reaktorabschnitt ist der plasmaferne Bereich. Dabei beziehen sich die Bezeichnungen „plasmanah" und „plasmafern" sowohl auf den räumlichen Abstand zum Plasmaerzeugungsbereich, als auch auf die Differenz zwischen der Temperatur im zweiten bzw. dritten Reaktorabschnitt und der Temperatur des Plasmas im Plasmaerzeugungsbereich.

Im ersten Reaktorabschnitt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenen Reaktors (dem Plasmaerzeugungsbereich des Reaktors) wird zum Erzeugen des Plasmas ein Plasmagas - vorzugsweise ein am Einsatzort der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügbares oder erzeugbares Gas - durch Einwirkung eines zwischen zwei Elektroden gebildeten Lichtbogens teilionisiert. Die oben erwähnten Mittel zum Erzeugen eines Plasmas umfassen demnach die Elektroden zur Erzeugung des Lichtbogens nebst Stromversorgung. Das gebildete Plasma (DC-Plasma) weist eine Temperatur größer als 5000 °C bis maximal 30000 °C, vorzugsweise 7000 °C bis 27000 °C, besonders bevorzugt 10000 °C bis 25000 °C auf. Im Plasma liegen Ionen, Elektronen und Atome im Gleichgewicht vor. Bei der Rekombination der Ionen und Elektronen wird thermische Energie freigesetzt. Geeignete Wege, mittels am Einsatzort der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens verfügbarer oder erzeugbarer Betriebsstoffe und Energieträger ein Plasma zu erzeugen, werden unten im Detail aufgezeigt. Der erste Reaktorabschnitt wird aktiv gekühlt, so dass die Temperatur des Plasmagases beim Durchströmen des ersten Reaktorabschnitts auf einen Wert im Bereich von 2500 K bis 5000 K sinkt. Im zweiten Reaktorabschnitt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenen Reaktors (dem plasmanahen Bereich des Reaktors) sind Mittel zum Zuführen eines aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenen Methan enthaltenden Eduktgases zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K, bevorzugt 3000 K bis 4000 K gekühlten Plasmagas angeordnet.

Die Mittel zum Zuführen des Methan enthaltenden Eduktgases umfassen üblicherweise Mittel zum Vorheizen des Methan enthaltenden Eduktgases auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 1200 °C, vorzugsweise von 200 °C bis 1000 °C, besonders bevorzugt von 400 °C bis 700 °C. Durch die Einwirkung der im ersten Reaktorabschnitt freigesetzten thermischen Energie werden im zugeführten Eduktgas enthaltene gasförmige niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, pyrolysiert und dissoziieren in radikalische Species, insbesondere Methylradikale und Wasserstoffradikale. Die Methylradikale bilden durch Dimerisierung und Wasserstoffabspaltung ungesättigte C ₂ -Kohlenwasserstoffe (vorwie- gend Acetylen, daneben auch Ethylen, wobei das Molverhältnis zwischen Acetylen und Ethylen durch die Wahl der Prozessparameter Druck, Temperatur, mittlere Verweilzeit und Quenchrate beeinflusst wird). Somit wird im zweiten Reaktorabschnitt ein Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet. Die Umsetzung von Methan zu Acetylen und Wasserstoff ist eine endotherme Reaktion, so dass im zweiten Reaktorabschnitt nach dem Zuführen des Methan enthaltenden Eduktgases die Temperatur weiter absinkt.

Aus den im zweiten Reaktorabschnitt gebildeten Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen werden in nachfolgenden Reaktorabschnitten bzw. nachfolgenden Verfahrensschritten durch Oligomerisierung höhermolekulare organische Verbindungen gebildet, die ihrerseits unter geeigneten Bedingungen als Edukt für die Bildung von Ruß wirken.

Im dritten Reaktorabschnitt des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenen Reaktors (dem plasmafernen Bereich des Reaktors) sind Mittel angeordnet, um das Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid so in Kontakt zu bringen, dass ein gequenchtes Produktgas mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird. Durch das Quenchen werden die im zweiten Reaktorabschnitt ablaufenden Reaktionen abgebrochen, jedoch wird in Form des Quenchfluids ein neuer Reaktionspartner eingebracht, der Folgereaktionen mit den Bestandteilen des im zweiten Reaktorabschnitt gebildeten Produktgases eingehen kann. Erfindungsgemäß wird im dritten Reaktorabschnitt ein Methan enthaltendes Gas als Quenchfluid eingesetzt. Ohne dass die vorliegende Erfindung an eine Theorie gebunden ist, wird derzeit angenommen, dass das im Quenchfluid enthaltene Methan durch die Bereitstellung weiterer Kohlenstoffatome eine Kettenverlängerung der bereits im zweiten Reaktorabschnitt gebildeten C ₂ -Kohlenwasserstoffe bewirkt. Der Methangehalt des Quenchfluids beträgt vorzugswei- se 50 vol.-% oder mehr, besonders bevorzugt 75 vol.-% oder mehr.

Das Methan enthaltende Quenchfluid wird bevorzugt aus dem für das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten Methan enthaltendem Gas entnommen. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Mittel, um das Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt zu bringen, bevorzugt Mittel, um das Produktgas mit einem aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenen Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt zu bringen. Aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases werden in dieser bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung also sowohl das Methan enthaltende Eduktgas als auch das Methan enthaltende Quenchfluid entnommen. Erfindungsgemäß wird ein Verhältnis von Methan im Eduktgas zu Methan im Quenchfluid im Bereich von 3: 1 bis 1 :3 eingestellt. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass dadurch eine besonders hohe Ausbeute an organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher erreicht wird. Bevorzugt ist ein Verhältnis von Methan im Eduktgas zu Methan im Quenchfluid im Bereich von 1 : 1 ,5 bis 1 :2,5, besonders bevorzugt 1 :2.

Da die Prozesse der Radikalbildung, Dimerisierung, Oligomerisierung, Wasserstoffabspaltung und Rußbildung verschiedene Reaktionsenthalpien und Reaktionsgeschwindigkeiten aufweisen, ist die Zusammensetzung der gebildeten Reaktionsprodukte durch die Wahl der Prozessparameter Druck, Temperatur, mittlere Verweilzeit und Quenchrate beeinflussbar. Durch geeignete Wahl dieser Prozessparameter und entsprechende Auslegung des Reaktors wird die Umsetzung entweder so kontrolliert, dass ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet wird, oder alternativ so, dass durch Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases eine oder mehrere organische Verbin- düngen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet werden. Beide Ausführungsformen sind von der vorliegenden Erfindung umfasst und zeichnen sich jeweils durch spezifische Vorzüge aus, die weiter unter beschrieben werden.

Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich zu den oben beschriebenen Bestandteilen Mittel, um das gequenchte Produktgas mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen. Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahrensschritten das in Kontakt bringen des gequenchten Produktgases mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden. In einer Variante wird das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid gequenchte Produktgas mit weiterem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht. Andere Varianten nutzen Luft oder Wasser als weiteres Quenchfluid. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid.

Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher werden zur weiteren stofflichen Verwertung typischerweise in derselben Weise wie Rohöl aufbereitet, vorzugsweise gemeinsam mit Rohöl in einer Erdölraffinerie. Aufgrund der durch die Umwandlung vom gasförmigen in den flüssigen Zustand erreichten Volumenreduktion um mehrere Größenordnungen ist der Abtransport der erfindungsgemäß erzeugten bei Normdruck flüssigen Produkte zur stofflichen Verarbeitung in eine - gegebenen- falls vom Einsatzort der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens weit entfernte - Erdölraffinerie wesentlich rentabler als ein Abtransport des methanhaltigen Gases im gasförmigen Zustand an einen zur stofflicher oder energetischer Nutzung des Gases geeigneten Ort.

Erfindungsgemäß erhältliche organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher (unter Normaldruck wie oben definiert) sind Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Benzol, Alkyl-substituierten Benzolen (z.B. Methylbenzol (Toluol), Dimethylbenzole (Xylole), Vinylbenzol (Styrol), Isopropylbenzol (Cumol), Methylethylbenzol, Butylbenzol), weiteren substituierten aromatischen Verbindungen (z.B. Kresol, Biphenyl, Indanon), polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH, z.B. Indan (Cyclopentenbenzol), Naphthalen, Acenaphthen, Phenyltoluol, Anthra- cen, Fluoranthen, Pyren und höhere polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) und gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit mehr als 5 Kohlenstoffatomen im Molekül (z.B. Decalin).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases, aus der ein Methan enthaltendes Eduktgas entnehmbar ist. Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines Methan enthaltenden Gases, und aus dem bereitgestellten Methan enthaltendem Gas wird ein Methan enthaltendes Eduktgas entnommen. Üblicherweise beträgt der Methangehalt des bereitgestellten Methan enthaltenden Gases und des daraus entnom- menen Methan enthaltenden Eduktgases 50 vol.-% oder mehr, besonders bevorzugt 75 vol.-% oder mehr, wobei der Methangehalt von der Quelle des bereitgestellten Methan enthaltenden Gases abhängt. Vorzugsweise enthält das bereitgestellte Methan enthaltende Gas weniger als 5 vol.-%, besonders bevorzugt weniger als 4 % Kohlendioxid.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere geeignet für die Verarbeitung Methan enthaltender Gase aus der Gruppe beste- hend aus:

bei der Erdölförderung anfallendes Erdöl-Begleitgas

Erdgas

Biogas

Flözgas (Coal Bed Gas)

- Grubengas

durch Methanisieren von Kohlendioxid gebildetes Methan

Deponiegas.

Die Einrichtung zum Bereitstellen des Methan enthaltenden Gases ist somit bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

- Einrichtungen zum Bereitstellen von bei der Erdölförderung anfallendem Erdöl- Begleitgas

Einrichtungen zum Bereitstellen von Erdgas

Einrichtungen zum Bereitstellen von Biogas

Einrichtungen zum Bereitstellen von Flözgas

- Einrichtungen zum Bereitstellen von Grubengas

Einrichtungen zum Bereitstellen von durch Methanisieren von Kohlendioxid gebildetem Methan

Einrichtungen zum Bereitstellen von Deponiegas.

Um die Transportwege für das Methan enthaltende Gas kurz zu halten, wird die erfin- dungsgemäße Vorrichtung typischerweise in unmittelbarer Nähe zu einer Quelle eines geeigneten Methan enthaltenden Gases angeordnet, d.h. in unmittelbarer Nähe zu einer Erdgasförderanlage, einer Erdölförderanlage mit Vorrichtungen zum Auffangen von Erdöl-Begleitgases, eines Kohlevorkommens oder Bergwerks mit Vorrichtungen zum Auffangen von Flöz- bzw. Grubengas, einer Biogasanlage oder einer Anlage zum Methanisieren von Kohlendioxid. Die Einrichtung zum Bereitstellen des Methan enthaltenden Gases umfasst somit regelmäßig Mittel, um aus einer geeigneten Quelle gewon- nenes Methan enthaltendes Gas in die erfindungsgemäße Vorrichtung zu überführen, z.B. einen Anschluss an eine entsprechende Gasleitung, die die Quelle des methanhalti- gen Gases mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbindet.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist das bereitgestellte Methan enthaltende Gas bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:

bei der Erdölförderung anfallendes Erdöl-Begleitgas

Erdgas

Biogas

Flözgas

- Grubengas

durch Methanisieren von Kohlendioxid gebildetes Methan

Deponiegas.

Erdöl-Begleitgas (Associated Petroleum Gas APG) ist ein in seiner Zusammensetzung dem Erdgas ähnliches Gemisch gasförmiger chemischer Verbindungen, das bei der Erdölgewinnung aus einer Erdölbohrung freigesetzt wird.

Flözgas bzw. Grubengas entstehen auf natürliche Weise aus Kohlevorkommen. Flözgas bzw. Coal Bed Gas ist durch eine Bohrung im unverritzten Gebirge freigesetztes Kohlegas, während als Grubengas das in Bergwerken gewonnene Kohlegas bezeichnet wird.

Verfahren und Einrichtungen zum Gewinnen von Biogas oder Deponiegas bzw. zum Methanisieren von Kohlendioxid sind dem Fachmann bekannt.

Neben Methan enthält das Methan enthaltende Gas je nach Herkunft typische weitere Bestandteile von Erdgas, Erdöl-Begleitgas, Biogas, Flözgas bzw. Grubengas, z.B. Kohlenwasserstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethan, Propan und Butan, sowie Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff und Edelgasen. Wird das Methan durch Methanisieren von Kohlendioxid gebildet, so enthält das erfindungsgemäß einzusetzende Methan enthaltende Gas gegebenenfalls bei der Methanisierung des Kohlendioxids entstehende Nebenprodukte. Erdgas sowie bei der Erdölförderung anfallendes Erdöl- Begleitgas weisen üblicherweise einen Methangehalt von 75 vol.-% bis 99 vol.-% auf und können daher ohne weitere Aufbereitung für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Entsprechendes gilt für Flöz- und Grubengas, dessen Methangehalt typischerweise 80 vol.-% bis 95 vol.-% beträgt. Einige der oben genannten Quellen liefern jedoch ein Gas mit einem Methangehalt von weniger als 50 % und/oder einem Kohlendioxidgehalt von mehr als 5 vol.-%. Dies trifft insbesondere für Deponiegas zu und teilweise auch für Biogas. In diesen Fällen ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zum Bereitstellen des Methan enthaltenden Gases Mittel zur Erhöhung der Methankonzentration umfasst, beispielsweise in Form einer Membrananlage zum Abtrennen unerwünschter Gasbestandteile.

Wenn der erforderliche Methangehalt von 50 vol.-% oder mehr vorliegt oder eingestellt worden ist, ist eine weitere Reinigung des Methan enthaltenden Gases, z.B. durch Entschweflung, für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfah- ren nicht zwingend erforderlich, da die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ohne Katalysatoren betrieben werden kann. Schwefelhaltige Bestandteile des Methan enthaltende Eduktgases (z. B. im Fall von Erdgas oder Erdöl- Begleitgas in erster Linie Schwefelwasserstoff sowie niedermolekulare Thiole) werden im Plasma zu komplexeren schwefelorganischen Verbindungen, Wasserstoff und/oder elementarem Schwefel umgesetzt. Dies ist unproblematisch, da bei der Aufbereitung in einer Erdölraffinerie ohnehin eine Entschwefelung erfolgt. Der Wegfall einer Entschweflung des Eduktgases ist ein signifikanter Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, da hierdurch das Verfahren und die Vorrichtung vereinfacht und der Platzbedarf und der Bedarf an Betriebsstoffen vermindert werden, sowie die Nutzung stark saurer Erdgasquellen oder APG-Gasquellen erleichtert wird.

Lediglich für eine spezielle Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der ein weiterer Reaktorabschnitt vorgesehen ist, in welchem ein oder mehrere Katalysatoren zur Bildung einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus im gequenchten Produktgas enthaltenem Acetylen und/oder Ethylen angeordnet sind (siehe weiter unten), bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei aus dem im gequenchten Produktgas enthaltenem Acetylen und/oder Ethylen in Gegenwart eines oder mehrerer Katalysatoren eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet werden (siehe weiter unten), ist eine Entsäuerung des Methan enthaltende Eduktgases (Auswaschen von Schwefelwasser- stoff) nötig.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Reaktor so eingerichtet, dass ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet wird.

Bei dieser ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor vorzugs- weise so eingerichtet, dass die mittlere Verweilzeit im zweiten Reaktorabschnitt 0,1 ms bis 20 ms, bevorzugt 0,1 ms bis 10 ms, besonders bevorzugt 0, 1 ms bis 5 ms beträgt bei einem Volumenstrom an Methan von 1 Norm-m ³ /h bis 10000 Norm-m ³ /h, bevorzugt von 1 Norm-m ³ /h bis 4000 Norm-m ³ /h, und einem Energieeintrag durch das Plasma pro kg Methan von 1 kWh bis 40 kWh, bevorzugt von 1 kWh bis 20 kWh und besonders bevor- zugt von 6 bis 14 kWh (bezogen auf reines Methan).

Die Quenchrate beträgt in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 10 ² K/s bis 10 ⁷ K/s, bevorzugt 10 ³ K/s bis 10 ⁶ K/s, besonders bevorzugt 10 ⁵ K/s bis 10 ⁶ K/s. Der Druck beträgt 50 kPa bis 5000 kPa, bevorzugt 80 kPa bis 1500 kPa, besonders bevorzugt 100 kPa bis 500 kPa. Um unkontrollierte Folgereaktionen im gequenchten Produktgas zu vermeiden, weist bei der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung der dritte Reaktorabschnitt vorzugsweise Mittel auf, um das gequenchte Produktgas über eine definierte mittlere Verweilzeit in einem bestimmten Temperaturbereich zu halten. Dazu ist eine unmittelbar auf die Mittel, um das Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt zu bringen, folgende Auslaufstrecke vorgesehen. Das gequenchte Produktgas wird in der Auslaufstrecke vorzugsweise über eine mittlere Verweilzeit von 100 ms bis 1000 ms, weiter bevorzugt von 300 ms bis 500 ms bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C bis 1000 °C gehalten. Bevorzugt sind an einer oder mehreren Positionen in der Auslaufstrecke Mittel angeordnet, um das die Auslaufstrecke durchströmende gequenchte Produktgas, das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht wurde, mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen, um so die in der Auslaufstrecke ablaufenden Prozesse und damit die Zusammensetzung des gequenchten Produktgases zu kontrollieren.

Durch eigene Untersuchungen wurde festgestellt, dass die mittlere Verweilzeit im ersten Drittel der Auslaufstrecke einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung des gequenchten Produktgases hat. Um zu erreichen, dass das gequenchte Produktgas ein oder mehrere Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher enthält, wird die mittlere Verweilzeit im ersten Drittel der Auslaufstrecke bevorzugt auf 5 ms bis 100 ms, bevorzugt auf 10 ms bis 80 ms, besonders bevorzugt auf 25 ms bis 60 ms eingestellt. Die mittlere Verweilzeit im ersten Drittel der Auslaufstrecke ist einstellbar durch entsprechende Wahl der Volumenströme des Plasmagases, des Methan enthaltenden Eduktgases und der Quenchfluide. Bevorzugt sind im ersten Drittel der Auslaufstrecke Mittel angeordnet, um das gequenchte Produktgas, das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht wurde, mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen. In einer Variante wird das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid gequenchte Produktgas mit weiterem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht. Andere Varianten nutzen Luft oder Wasser als weiteres Quenchfluid. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid.

In der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Umsatz bezogen auf das im Eduktgas enthaltene Methan von 5 % oder höher, bevorzugt 50 % oder höher und besonders bevorzugt 70 % oder höher erzielt und eine Kohlenstoffausbeute an organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher von 2 % bis 20 %, bevorzugt 2 % bis 30 %, besonders bevorzugt 2 % bis 70 %.

Die erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung - insbesondere in ihren als bevorzugt gekennzeichneten Varianten - zeichnet sich dadurch aus, dass das im dritten Reaktorabschnitt gebildete gequenchte Produktgas bereits die gewünschten organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher enthält. Demzufolge kann der Reaktor relativ kompakt und einfach gestaltet werden, und ein Katalysator ist nicht erforderlich.

In einer speziellen Variante der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie Ruß gebil- det.

In einer speziellen Variante der ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Reaktor so eingerichtet, dass ein gequenchtes Produktgas enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie Ruß gebildet werden. Die Bildung von Ruß lässt sich erreichen durch geeignete Einstellung der o.g. Verfahrensparameter, z.B. Wahl eines relativ hohen Energieeintrags durch das Plasma pro kg Methan und einer relativ langen Verweilzeit in der Auslaufstrecke, wobei eine umso höhere Verweilzeit nötig ist, je kleiner die Temperatur in der Auslaufstrecke ist. Geeignet ist z.B. ein Energieeintrag von 14 kWh/kg Methan oder mehr im in Kombination mit einer mittleren Verweilzeit von 400 ms oder mehr bei einer mittleren Temperatur der Auslaufstrecke von 500 °C oder mehr, sowie ein Energieeintrag von 20 kWh/kg Methan oder mehr in Kombination mit einer mittleren Verweilzeit von 300 ms oder mehr bei einer mittleren Temperatur der Auslaufstrecke von 200 °C oder mehr. Bei dieser speziellen Variante der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die gebildeten Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zum Teil von dem gebildeten Ruß adsorbiert. Typischerweise beträgt der von Ruß adsorbierte Anteil der gebildeten Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher 10 bis 30 mol%, bezogen auf die Gesamtmenge an gebildeten Kohlenwasserstoffen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher. Bei den von Ruß adsorbierten Verbindungen handelt es sich vorwiegend um aromatische Kohlenwasserstoffe (einschließlich polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe). Der Gehalt des Rußes an adsorbierten aromatischen Kohlenwasserstoffen beträgt dabei vorzugsweise bis zu 25 Gew.-%, bevorzugt bis zu 30 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 50 Gew.-%. Bei der Verarbeitung in der Raffinerie werden die von Ruß adsorbierten organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher desorbiert und weiterverarbeitet, während der Ruß als fester Rückstand zurückbleibt. Der bei der Erdöldestillation und -raffination zurückbleibende feste Rückstand wird nach Kalzination üblicherweise nach bekannten Verfahren zu Petrolkoks (Pet-coke) verarbeitet, der beispielsweise zur Her- Stellung von Söderberg-Elektroden, insbesondere für die Aluminiumgewinnung, sowie als Ausgangsstoff für die Herstellung von synthetischem Graphit, insbesondere als Elektrodenmaterial für die Herstellung von Elektrostahl, verwendet wird. Somit eröffnet diese spezielle Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung den Zugang zu weiteren Wertschöpfungsketten. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet, und

das gequenchte Produktgas weiterbehandelt, um ein weiterbehandeltes Produktgas umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siede- punkt von 15 °C oder höher zu bilden. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Reaktor so eingerichtet, dass ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird, und

- umfasst der Reaktor in Strömungsrichtung des gequenchten Produktgases auf den dritten Reaktorabschnitt folgend einen vierten Reaktorabschnitt zum Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases, um ein weiterbehandeltes Produktgas umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden. Bei dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Reaktor vorzugsweise so eingerichtet, dass die mittlere Verweilzeit im zweiten Reaktorabschnitt des Reaktors 0, 1 ms bis 20 ms, bevorzugt 0, 1 ms bis 10 ms, besonders bevorzugt 0, 1 ms bis 5 ms beträgt bei einem Volumenstrom an Methan von 1 Norm-m ³ /h bis 10000 Norm-m ³ /h, bevorzugt von 1 Norm-m ³ /h bis 4000 Norm-m ³ /h und einem Energieeintrag durch das Plasma pro kg Methan von 1 kWh bis 40 kWh, bevorzugt von 3 kWh bis 20 kWh und besonders bevorzugt von 8 bis 13 kWh.

Die Quenchrate beträgt in der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 10 ² K/s bis 10 ⁷ K/s, bevorzugt 10 ³ K/s bis 10 ⁶ K/s, besonders bevorzugt 10 ⁵ K/s bis 10 ⁶ K/s. Der Druck beträgt 50 kPa bis 6000 kPa, bevorzugt 80 kPa bis 1500 kPa. Die Höhe des Drucks beeinflusst die Selektivität hinsichtlich der Bildung von Acetylen bzw. Ethylen. Ist ein hoher Anteil an Acetylen gewünscht, so wird der Druck bevorzugt im Bereich 100 kPa bis 1000 kPa gewählt, für einen hohen Anteil an Ethylen hingegen im Bereich von 1000 kPa bis 6000 kPa.

In den nachfolgend beschriebenen speziellen Varianten der zweiten bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung sind in dem vierten Reaktorabschnitt keine Katalysatoren vorgesehen.

Damit in dem vierten Reaktorabschnitt aus Acetylen und/oder Ethylen eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet werden, ist dieser bevorzugt so eingerichtet, dass die mittlere Verweilzeit 0, 1 s bis 120 s, bevor- zugt 1 s bis 60 s, besonders bevorzugt 2 s bis 30 s beträgt bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 1500 °C, bevorzugt von 100 °C bis 1300 °C, besonders bevorzugt von 200 °C bis 800 °C. Bevorzugt sind an einer oder mehreren Positionen in dem vierten Reaktorabschnitt Mittel angeordnet, um das gequenchte Produktgas, das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht wurde, mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen, um so die im vierten Reaktorabschnitt ablaufenden Prozesse und damit die Zusammensetzung des Gasstroms zu kontrollieren.

Durch eigene Untersuchungen wurde festgestellt, dass die mittlere Verweilzeit im ersten Drittel des vierten Reaktorabschnitts einen entscheidenden Einfluss auf die Zusammensetzung des Gasstroms hat. Um zu erreichen, dass im vierten Reaktorabschnitt eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher gebildet werden, wird die mittlere Verweilzeit im ersten Drittel des vierten Reaktorabschnitts bevorzugt auf 1 ms bis 80 ms, bevorzugt auf 2 ms bis 50 ms, besonders bevorzugt auf 5 ms bis 30 ms eingestellt. Die mittlere Verweilzeit im ersten Drittel des vierten Reaktorabschnitts ist einstellbar durch entsprechende Wahl der Volumenströme des Plasmagases, des Eduktgases und der Quenchfluide. Bevorzugt sind im ersten Drittel des vierten Reaktorabschnitts Mittel angeordnet, um das gequenchte Produktgas, das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht wurde, mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen. In einer Variante wird das bereits mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid gequenchte Produktgas mit weiterem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht. Andere Varianten nutzen Luft oder Wasser als weiteres Quenchfluid. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid.

Für die Ausgestaltung des vierten Reaktorabschnitts, in welchem keine Katalysatoren vorgesehen sind, gibt es zwei grundlegende Alternativen. In der ersten Alternative wird dem vierten Reaktorabschnitt durch Kühlung bzw. Beheizung eine konstante Temperatur gewählt aus dem oben definierten Bereich, vorzugsweise aus dem als bevorzugt gekennzeichneten Bereich, aufgeprägt. Besonders bevorzugt ist eine konstante Temperatur im Bereich von 400 °C bis 1000 °C.

In der zweiten Alternative ist der vierte Reaktorabschnitt in einzelne aufeinander folgende Module gegliedert mit jeweils individuell einstellbarer Temperatur und mit Mitteln, um den Gasstrom mit einem Quenchfluid in Kontakt zu bringen, wobei die Quenchrate für jedes Modul individuell einstellbar ist. Bevorzugt werden die Temperaturen so eingestellt, dass in Durchströmungsrichtung die Temperatur von Modul zu Modul geringer wird. Somit durchläuft der Gasstrom beim Durchströmen des vierten Reaktorabschnitts ein Tempera- turprofil von höheren hin zu niedrigeren Temperaturen, wobei die Temperaturen der einzelnen Module gewählt sind aus dem oben definierten Bereich, vorzugsweise aus dem als bevorzugt gekennzeichneten Bereich. Besonders bevorzugt ist ein Temperaturprofil, das sich von einem Höchstwert von 1000 °C am Eingang des vierten Reaktorabschnitts bis zu einem Mindestwert von 100 °C am Ausgang des vierten Reaktorabschnitts erstreckt. Größe und Anzahl der der aufeinander folgenden Module sind dabei so gestaltet, dass die gewünschte mittlere Verweilzeit, bezogen auf den vierten Reaktorabschnitt als Ganzes, erreicht wird.

In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Umsatz bezogen auf das im Eduktgas enthaltene Methan von 5 % oder höher, bevorzugt 50 % oder höher und besonders bevorzugt 70 % oder höher erzielt und eine Kohlenstoffausbeute an organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher von 5 % bis 50 %, bevorzugt 10 % bis 60 %, besonders bevorzugt 20 % bis 80 %.

Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung - insbesondere in ihren als bevorzugt gekennzeichneten Varianten - zeichnet sich dadurch aus, dass zuerst mit hoher Selektivität und hoher Kohlenstoffausbeute Acetylen und/oder Ethylen aus dem im Eduktgas enthaltenen Methan gebildet werden, und dann das gebildete Acetylen und/oder Ethylen in einer kontrollierten thermischen Oligomerisierung (d.h. mit höherer Selektivität und typischerweise höherer Kohlenstoffausbeute im Vergleich zu der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung) zu Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher z.B. aus der Gruppe bestehend aus Benzol, Naphthalen und Anthracen umgewandelt wird, ohne dass ein Katalysator erforderlich ist.

In einer speziellen Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird

ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet, und

das gequenchte Produktgas weiterbehandelt, um ein weiterbehandeltes Produktgas umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie Ruß zu bilden.

In einer speziellen Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung

ist der Reaktor so eingerichtet, dass ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird, und

umfasst der Reaktor in Strömungsrichtung des gequenchten Produktgases auf den dritten Reaktorabschnitt folgend einen vierten Reaktorabschnitt zum Weiterbehan- dein des gequenchten Produktgases, um ein weiterbehandeltes Produktgas umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie Ruß zu bilden.

In dieser speziellen Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in dem vierten Reaktorabschnitt keine Katalysatoren vorgesehen. Die Bildung von Ruß lässt sich erreichen durch geeignete Einstellung der o.g. Verfahrensparameter, z.B. Wahl eines relativ hohen Energieeintrags pro kg Methan durch das Plasma und einer relativ langen Verweilzeit bzw. hohen Temperatur im vierten Reaktorabschnitt, wobei eine umso höhere Verweilzeit nötig ist, je kleiner die Temperatur im vierten Reaktorabschnitt ist.

Bei der oben beschriebenen ersten Alternative mit einer konstanten Temperatur im vierten Reaktorabschnitt wird eine Rußbildung erreicht bei mittleren Verweilzeiten größer 20 s bei einer Temperatur im vierten Reaktorabschnitt von mindestens 1000 °C, mittleren Verweilzeiten größer 10 s bei einer Temperatur im vierten Reaktorabschnitt von mindes- tens 1300 °C, und mittleren Verweilzeiten größer 1 s bei einer Temperatur im vierten Reaktorabschnitt von mindestens 1600 °C, wobei im vierten Reaktorabschnitt keine Katalysatoren vorgesehen sind.

Besteht der vierte Reaktorabschnitt gemäß der oben beschriebenen zweiten Alternative aus aufeinander folgenden Modulen mit jeweils individuell einstellbarer Temperatur, so ist z.B. ein Energieeintrag von 14 kWh/kg Methan oder mehr durch das Plasma in Kombination mit einer mittleren Verweilzeit von 400 ms oder mehr bei einer mittleren Temperatur im vierten Reaktorabschnitt von 500 °C oder mehr, sowie ein Energieeintrag von 20 kWh/kg Methan oder mehr durch das Plasma in Kombination mit einer mittleren Verweilzeit von 1 s oder mehr bei einer mittleren Temperatur im vierten Reaktorabschnitt von 300 °C für die Rußbildung geeignet.

Bei dieser speziellen Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die gebildeten Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zum Teil von dem gebildeten Ruß adsorbiert. Typischerweise beträgt der von Ruß adsorbierte Anteil der gebildeten Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher 10 bis 30 mol%, bezogen auf die Gesamtmenge an gebildeten Kohlenwasserstoffen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher. Bei den von Ruß adsorbierten Verbindungen handelt es sich vorwiegend um aromatische Kohlenwasserstoffe (einschließlich polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe). Der Gehalt des Rußes an adsorbierten aromatischen Kohlenwasserstoffen beträgt dabei vorzugsweise bis zu 25 Gew.-%, bevorzugt bis zu 30 Gew.-%, besonders bevorzugt bis zu 50 Gew.-%. Bei der Verarbeitung in der Raffinerie werden die von Ruß absorbierten organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher desorbiert und weiterverarbeitet, während der Ruß als fester Rückstand zurückbleibt. Der bei der Erdöldestillation und -raffination zurückbleibende feste Rückstand wird nach Kalzination üblicherweise nach bekannten Verfahren zu Petrolkoks (Pet-coke) verarbeitet, der beispielsweise zur Herstellung von Söderberg-Elektroden, insbesondere für die Aluminiumgewinnung, sowie als Ausgangsstoff für die Herstellung von synthetischem Graphit, insbesondere als Elektrodenmaterial für die Herstellung von Elektrostahl, verwendet wird. Somit eröffnet diese spezielle Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung den Zugang zu weiteren Wertschöpfungsketten.

In einer weiteren speziellen Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird

ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet, und

das gequenchte Produktgas in Gegenwart eines oder mehrerer Katalysatoren weiterbehandelt, um ein weiterbehandeltes Produktgas umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden.

In einer weiteren speziellen Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung

ist der Reaktor so eingerichtet, dass ein gequenchtes Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird, und

umfasst der Reaktor in Strömungsrichtung des gequenchten Produktgases auf den dritten Reaktorabschnitt folgend einen vierten Reaktorabschnitt zum Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases, um ein weiterbehandeltes Produktgas umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden, wobei in dem vierten Reaktorabschnitt ein oder mehrere Katalysatoren angeordnet sind.

Der vierte Reaktorabschnitt zur Bildung einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher, in dem ein oder mehrere Katalysatoren angeordnet sind, ist bevorzugt so eingerichtet, dass die mittlere Verweilzeit 10 ms bis 1000 ms, bevorzugt 100 ms bis 1000 ms, besonders bevorzugt 300 ms bis 1000 ms beträgt bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 1500 °C, bevorzugt von 200 °C bis 600 °C, besonders bevorzugt 200 °C bis 300 °C. Mittlere Verweilzeit und Temperatur sind dabei so gewählt, dass die Bildung von Ruß, der sich auf dem Katalysator ablagern und diesen blockieren könnte, vermieden wird.

In dieser speziellen Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise ein Umsatz bezogen auf das im Eduktgas enthal- tene Methan von 5 % oder höher, bevorzugt 20 % oder höher und besonders bevorzugt 60 % oder höher erzielt. Bezogen auf das gebildete Acetylen wird ein Umsatz von 5 % oder höher, bevorzugt 50 % oder höher und besonders bevorzugt 70 % oder höher erzielt sowie eine Kohlenstoffausbeute an Ethylen von 20 % oder höher, bevorzugt 40 % oder höher, und bis zu 80 %, bevorzugt bis zu 90 % und besonders bevorzugt bis zu 100 % erzielt bzw. eine Kohlenstoffausbeute an Acetylen von 10 % oder höher und bis zu 50 %. Dabei sind die Kohlenstoffausbeuten an Acetylen und Ethylen additiv und betragen zusammengenommen maximal 100 %. Je nach den im vierten Reaktorabschnitt einzusetzenden Katalysatoren ist entweder ein an Acetylen oder ein an Ethylen reicher Gasstrom von Vorteil. Für die hier beschriebene spezielle Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle Katalysatoren geeignet, die Lewis-saure und/oder Brönsted-saure katalytisch aktive Zentren aufweisen.

Bevorzugt sind Katalysatoren (gegebenenfalls in Kombination mit Promotoren) basierend auf Elementen aus der 3. bis 14. Gruppe des Periodensystems (außer Kohlenstoff) auf einem geeigneten Trägermaterial, bevorzugt einem Trägermaterial, das Lewis-saure und/oder Brönsted-saure Zentren aufweist. Bevorzugte Elemente aus der 3. bis 14. Gruppe des Periodensystems sind Molybdän, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel, Aluminium, Bor und Silicium.

Bevorzugte Trägermaterialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alumini- umoxid, Siliciumdioxid, Siliciumdioxid-Titaniumdioxid-Gemischen, aluminiumhaltigen Tonerden, siliciumhaltigen Tonerden, synthetischen oder natürlichen silikathaltigen Mineralien wie Schichtsilikaten (z.B. Steatit), Ringsilikaten (z.B. Cordierit), Inselsilikaten, (z.B. Mullit, Sillimanit, Andalusit); Zeolithen, z.B. ZSM 5 (Zeolite Socony Mobil, entwickelt von Mobil Oil) und mesoporösen Silikatgerüsten vom MCM- (=Mobil crystalline material oder Mobil composition of matter) SBA- (=Santa Barbara Amorphous type-Silica), MSU- (=Michigan State University mesoporous silica), KSW- (benannt nach Kimura et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 21, 3855-3859), FSM- (=Folded sheets mesoporous- materials), oder HMM-Typ (=Hiroshima mesopourous material) oder weiteren mesoporösen silikathaltigen Strukturen. Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Katalysatoren sind z.B. Zeolith H-ZSM5 (eine Form des Zeolithen ZSM 5, in welchem die Metall-Kationen durch Protonen ausgetauscht sind), mit Nickel dotierter Zeolith ZSM 5 sowie ein Katalysator umfassend Molybdän auf einem Zeolithen, insbesondere Zeolith ZSM 5. Die spezielle Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der im vierten Reaktorabschnitt zur Bildung einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus Acetylen und/oder Ethylen ein oder mehrere Katalysatoren angeordnet sind, zeichnet sich - insbesondere in den als bevorzugt gekennzeichneten Varianten - dadurch aus, dass die Bildung einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus Acetylen und/oder Ethylen in Gegenwart eines oder mehrerer Katalysatoren bei geringeren Temperaturen durchführbar ist als in Abwesenheit von Katalysatoren, da die Katalysatoren die Aktivierungsenergien der betreffenden Reaktionen senken. Ein weiterer Vorteil dieser speziellen Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung besteht darin, dass durch entsprechende Auswahl der Katalysatoren die Selektivität des Prozesses und die Bandbreite des Spektrums der erhältlichen Reaktionsprodukte beeinflusst werden kann. So kann z.B. durch Auswahl entsprechend geeigneter Katalysatoren der Anteil bestimmter Verbindungen wie z.B. Benzen und/oder Naphthalen an den gebildeten Reaktionsprodukten erhöht werden. Das gequenchte und gegebenenfalls weiterbehandelte Produktgas enthält neben den gewünschten organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher auch Bestandteile mit einem Siedepunkt unterhalb von 15 °C (jeweils bezogen auf Normdruck, siehe oben). Diese Bestandteile mit einem Siedepunkt unterhalb von 15 °C umfassen insbesondere Wasserstoff, der wie oben beschrieben durch Rekombination von Wasserstoff-Radikalen oder durch Wasserstoffabspaltung aus im Plasma gebildeten Verbindungen mit zwei und mehr Kohlenstoffatomen entsteht, nicht umgesetztes oder durch Rekombination von Radikalen gebildetes Methan, gegebenenfalls Ethylen und/oder Acetylen sowie - je nach Zusammensetzung des Eduktgases - Gase aus der Gruppe bestehend aus Schwefelwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff und Edelgasen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, die Bestandteile des gequenchten Produktgases mit einem Siedepunkt unterhalb von 15 °C wenn möglich als Betriebsstoffe und/oder Energieträger für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. für das das erfindungsgemäße Verfahren zu nutzen.

Daher ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätz- lieh zu den oben beschriebenen Bestandteilen eine Einrichtung umfasst, um aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas ein Gas umfas- send einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen abzutrennen. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich zu den oben beschrieben Schritten das Abtrennen eines Gases umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas umfasst. Dies gilt für alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere aber für die oben beschriebene erste und zweite bevorzugte Ausführungsform. Für das Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen, das aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas abgetrennt worden ist, bietet sich innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Nutzung als Energieträger (insbesondere zur Bereitstellung der für die Erzeugung des Plasmas nötigen elektrischen Energie), als Quenchfluid und/oder als Plasmagas an.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen somit eine Einrichtung, um aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas ein Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen abzutrennen zur Nutzung für einen oder mehrere Zwecke aus der Gruppe bestehend aus

Quenchfluid

Brennstoff für die Bereitstellung elektrischer Energie

Plasmagas.

Das aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas abgetrennte Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen wird in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen oder mehrere Zwecke genutzt aus der Gruppe bestehend aus

Quenchfluid

- Brennstoff für die Bereitstellung elektrischer Energie

Plasmagas.

Alternativ oder zusätzlich ist aus dem bereitgestellten Methan enthaltenden Gas entnommenes Methan enthaltendes Gas innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens als Energieträger (insbesondere zur Bereitstellung der für die Erzeugung des Plasmas nötigen elektrischen Energie), als Quenchfluid und/oder als Plasmagas einsetzbar.

Aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases wird in bevor- zugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit neben dem Methan enthaltenden Eduktgas auch Methan enthaltendes Gas entnommen zur Nutzung für einen oder mehrere Zwecke aus der Gruppe bestehend aus

Quenchfluid

Brennstoff für die Bereitstellung elektrischer Energie

- Plasmagas.

Aus dem bereitgestellten Methan enthaltenden Gas wird in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens somit neben dem Methan enthaltenden Eduktgas auch Methan enthaltendes Gas entnommen für einen oder mehrere Zwecke aus der Gruppe bestehend aus

- Quenchfluid

Brennstoff für die Bereitstellung elektrischer Energie

Plasmagas.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst bevorzugt zusätzlich zu den oben beschriebenen Bestandteilen

- eine Einrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie umfassend eine Einrichtung zum Verbrennen mindestens eines Brennstoffs,

Mittel, um der Einrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie mindestens einen Brennstoff zuzuführen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

ein Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe beste- hend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen, das aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas abgetrennt worden ist,

und

ein aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltendes Gas

Mittel zum Übertragen der bereitgestellten elektrischen Energie zu den Mitteln zum Erzeugen eines Plasmas. Die Einrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie ist bevorzugt eine Gasturbine oder eine Gas-und Dampf-(GuD)-Turbine.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst somit bevorzugt zusätzlich zu den oben beschriebenen Schritten die Schritte

- Bereitstellen elektrischer Energie umfassend das Verbrennen mindestens eines Brennstoffs ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

ein Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen, das aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas ab- getrennt worden ist,

und

ein aus dem bereitgestellten Methan enthaltenden Gas entnommenes Methan enthaltendes Gas

Erzeugen eines Plasmas mittels der bereitgestellten elektrischen Energie. Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Plasma ein edelgasfreies Plasma, und die Mittel zur Erzeugung eines Plasmas in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Mittel zur Erzeugung eines edelgasfreien Plasmas. Die Verwendung eines edelgasfreien Plasmas trägt der Tatsache Rechnung, dass am Einsatzort der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens Betriebsstoffe wie Edel- gase, die eigens von außen herangebracht werden müssen, üblicherweise nur in sehr begrenztem Maße oder gar nicht zur Verfügung stehen. Es ist erfindungsgemäß jedoch nicht ausgeschlossen, dass das Plasmagas Spuren von Edelgasen enthält, da diese ja gegebenenfalls Bestandteil des in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellten Methan enthaltenden Gases sind. Somit ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Plasmagas kein Edelgas enthält, das aus anderen Quellen als dem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellten Methan enthaltenden Gas stammt; und den Mitteln zum Erzeugen des Plasmas kein Edelgas zugeführt wird, das aus anderen Quellen als in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellten Methan enthaltenden Gases stammt.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Mittel zum Zuführen eines Plasmagases bevorzugt Mittel, um mindestens ein Plasmagas zuzuführen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: ein Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen, das aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas abgetrennt worden ist, und

ein aus der Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltenden Gas.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt mindestens ein Plasmagas zugeführt bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

ein Gas umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen, das aus dem gequenchten Produktgas oder aus dem weiterbehandelten Produktgas abgetrennt worden ist, und

ein aus dem bereitgestellten Methan enthaltenden Gas entnommenes Methan enthaltendes Gas.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, besonders bevorzugt mit einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, besonders bevorzugt eine der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen einer oder mehrerer organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher aus einem Methan enthaltenden Gas, vorzugsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Hinsichtlich bevorzugter Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens gelten die obigen Ausführungen.

Je nach Aufkommen an zu verarbeitendem Methan enthaltendem Eduktgas werden an einem Einsatzort eine einzelne oder mehrere parallelgeschaltete erfindungsgemäße Vorrichtungen (wie oben definiert) vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gewährleisten auch bei relativ geringen Methanmengen von 100 kta bis 20000 kta einen rentablen Betrieb, da Vorrichtung und Verfahren einen sehr geringen Raumbedarf haben. Erfindungsgemäß lässt sich mittels eines thermischen Plasmas, das örtlich sehr begrenzt ist, die für die Umwandlung von Methan in organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher nötige Energie gezielt und mit hoher Effizienz in den Prozess eintragen, d.h. ein hoher Anteil der eingetragenen Energie steht tatsächlich für die gewünschten Reaktionen zur Verfügung. Dank dieser hohen Energieeffizienz, verbunden mit dem relativ geringen Raumbedarf, zeichnen sich die erfindungsgemäß zu verwendende Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren durch eine besonders hohe Produktivität bezogen auf das zur Verfügung stehende Reaktorvolumen aus und sind besonders geeignet, um unter den Bedingungen eines begrenzten Platzangebots eingesetzt zu werden. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung relativ kompakt und leicht auf- und abbaubar ist, erlaubt sie eine rentable Nutzung auch von Quellen mit einem zeitlich begrenzten Aufkommen an Methan enthaltendem Gas.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind u.a. geeignet zum Betrieb in Kombination mit - gegebenenfalls bereits bestehenden - Anlagen zur Stromerzeugung, die Methan enthaltendes Gas - z.B. Biogas, Flözgas, Grubengas oder Deponiegas - als Brennstoff nutzen. In Zeiträumen mit einem Überangebot an Strom im Netz aus anderen Quellen (z.B. durch die zunehmende Nutzung fluktuierender regenerativer Energiequellen) kann dann der durch Verbrennung des Methan enthaltenden Gases erzeugte Strom für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt werden und so in Form der erzeugten organischen Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher chemisch gespeichert werden. Auf diese Weise wird die Flexibilität der Anlage zur Stromerzeugung in Bezug auf Schwankungen der Aufnahmekapazität des Stromnetzes verbessert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1a eine erste Ausführungsform eines Reaktors für eine erfindungsgemäße

Vorrichtung

Figur 1 b eine zweite Ausführungsform eines Reaktors für eine erfindungsgemäße

Vorrichtung.

Figur 1 c einen Reaktor für die erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Figur 1d einen Reaktor für eine erste Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Figur 1 e einen Reaktor für eine zweite Variante der zweiten bevorzugten Ausfüh- rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Figur 1f einen Reaktor für eine dritte Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

Die Figuren sind rein schematische Darstellungen, nicht maßstäblich und nicht die realen Größenverhältnisse wiedergebend.

Die Figuren 1a und 1 b zeigen eine erste und eine zweite Ausführungsform eines Reak- tors für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Reaktor 60a gemäß Figur 1a bzw. der Reaktor 60b gemäß Figur 1 b umfasst drei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Reaktorabschnitte, wobei die Temperatur vom ersten zum dritten Reaktorabschnitt abfällt. In bestimmten Ausführungsformen enthält der Reaktor weitere, in den Figuren nicht dargestellte Reaktorabschnitte. In den Figuren 1a und 1 b sind identische Bestandteile mit identischen Bezugszeichen versehen.

Der Reaktor 60a gemäß Figur 1a bzw. der Reaktor 60b gemäß Figur 1 b umfasst einen ersten Reaktorabschnitt 1a bzw. 1 b, in welchem

Mittel 1 1a zum koaxialen Zuführen eines Plasmagases bzw. Mittel 1 1 b zum tangentialen Zuführen des Plasmagases

- Mittel zum Erzeugen eines Plasmas, d.h. eine Elektrode 12a, 12b nebst Stromversorgung 13 zur Erzeugung eines Lichtbogens 14a, 14b

und Mittel 15 zum Abkühlen des Plasmagases 10 auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K

angeordnet sind. Im Reaktorabschnitt 1a bzw. 1 b wird

ein Plasmagas zugeführt,

mit dem zugeführten Plasmagas ein Plasma mit einer Temperatur größer als 5000 K erzeugt,

und anschließend das Plasmagas auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K abgekühlt. Die koaxiale Zuführung 1 1a des Plasmagases gemäß Figur 1a hat den Vorteil, dass das Plasmagas wandnah in den Reaktor eintritt und so zur Kühlung der Reaktorwand beiträgt. Der erzeugte Lichtbogen 14a ist jedoch fluktuierend. Die tangentiale Zuführung 1 1 b des Plasmagases gemäß Figur 1 b hat den Vorteil, dass sich ein stabilerer Lichtbogen 14b aufbaut.

In Strömungsrichtung des Plasmagases 10 auf den ersten Reaktorabschnitt 1a bzw. 1 b folgend umfasst der Reaktor 60a gemäß Figur 1a bzw. der Reaktor 60b gemäß Figur 1 b einen zweiten Reaktorabschnitt 2, in welchem Mittel 21 angeordnet sind zum Zuführen eines aus einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases ent- nommenen Methan enthaltenden Eduktgases zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K gekühlten Plasmagas 10. Der Reaktorabschnitt 2 ist so eingerichtet, dass ein Produktgas 20 enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird.

Im Reaktorabschnitt 2 wird

- ein aus einem bereitgestellten Methan enthaltenden Gas entnommenes Methan enthaltendes Eduktgas zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K abgekühlten Plasmagas zugeführt,

ein Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend Ethylen und Acetylen gebildet. In Strömungsrichtung des Produktgases 20 auf den Reaktorabschnitt 2 folgend umfasst der Reaktor gemäß Figur 1a bzw. 1 b einen dritten Reaktorabschnitt 3, in welchem Mittel 31 angeordnet sind, um das im Reaktorabschnitt 2 gebildete Produktgas 20 mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid so in Kontakt zu bringen, dass ein gequenchtes Produktgas 30 mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird. Im Reaktorabschnitt 3 wird das im Reaktorabschnitt 2 gebildete Produktgas 20 mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid so in Kontakt gebracht, dass ein gequenchtes Produktgas 30 mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird.

Die Mittel 21 zum Zuführen eines Methan enthaltenden Eduktgases und die Mittel 31 , um das Produktgas 20 mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt zu bringen und ein gequenchtes Produktgas 30 zu bilden, sind dazu eingerichtet, ein Verhältnis von Methan im Eduktgas zu Methan im Quenchfluid im Bereich von 3: 1 bis 1 :3 einzustellen. Erfindungsgemäß wird ein Verhältnis von Methan im Eduktgas zu Methan im Quenchfluid im Bereich von 3:1 bis 1 :3 eingestellt. In den bevorzugten Ausführungsformen des Reaktors 60a gemäß Figur 1a bzw. des Reaktors 60b gemäß Figur 1 b sind im Reaktorabschnitt 3 Mittel 32 angeordnet, um das gequenchte Produktgas mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen, wobei die weiteren Quenchfluide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methan enthaltenden Quenchfluiden, Luft und Wasser. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid (siehe dazu auch Figur 2). In den bevorzugten Ausführungsformen des Reaktors wird im Reaktorabschnitt 3 das gequenchten Produktgas mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt gebracht.

Figur 1 c zeigt einen Reaktor 60c für die oben beschriebene erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Reaktor 60c ist so eingerichtet, dass ein gequenchtes Produktgas 30a enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie gegebenenfalls Ruß gebildet werden.

Der erste Reaktorabschnitt 1 b weist in der in Figur 1 c gezeigten Ausführungsform des Reaktors 60c denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60b aus Figur 1 b, identische Reaktorkomponenten sind daher in den Figuren 1 b und 1 c mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform des Reaktors für diese erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der erste Reaktorabschnitt denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60a aus Figur 1a.

Im zweiten Reaktorabschnitt 2c wird über Mittel 21 ein aus einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltendes Eduktgas zugeführt zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K gekühlten Plasmagas 10. Der Reaktorabschnitt 2c ist so eingerichtet, dass ein Produktgas 20 enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird. Bevorzugt ist der Reaktorabschnitt 2c so ausgelegt, dass die Parameter Verweilzeit, Volumenstrom an Methan, und Energieeintrag durch das Plasma pro kg Methan in den oben angegebenen bevorzugten Bereichen liegen. Den dritten Reaktorabschnitt bildet eine auf die Mittel 31 , um das Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt zu bringen, folgende Auslaufstrecke umfassend ein erstes Drittel 3a, ein zweites Drittel 3b und ein letztes Drittel 3c. In der Auslaufstrecke wird das gequenchten Produktgas 30a enthaltend einen oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher und gegebenenfalls Ruß über eine definierte mittlere Verweilzeit in einem bestimmten Temperaturbereich gehal- ten. Im ersten Drittel 3a der Auslaufstrecke und am Ende der Auslaufstrecke sind Mittel 32 und 33 vorgesehen, um das gequenchte Produktgas 30a mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen, wobei die weiteren Quenchfluide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methan enthaltenden Quenchfluiden, Luft und Wasser. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid (siehe dazu auch Figur 2). Das gequenchte Produktgas 30a wird in der Auslaufstrecke vorzugsweise über eine mittlere Verweilzeit von 100 ms bis 1000 ms, weiter bevorzugt von 300 ms bis 500 ms bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C bis 1000 °C gehalten.

Figur 1 d zeigt einen Reaktor 60d für eine erste Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Reaktor 60d ist so eingerichtet, dass im dritten Reaktorabschnitt 3d ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird, und umfasst einen vierten Reaktorabschnitt 4d zum Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases, um ein weiterbehandeltes Produktgas 40 umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie gegebenenfalls Ruß zu bilden.

Der erste Reaktorabschnitt 1 b weist in der in Figur 1d gezeigten Ausführungsform des Reaktors 60d denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60b aus Figur 1 b, identische Reaktorkomponenten sind daher in den Figuren 1 b und 1d mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform des Reaktors für diese Variante der zweiten bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der erste Reaktorabschnitt denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60a aus Figur 1a.

Im zweiten Reaktorabschnitt 2d wird über Mittel 21 ein aus einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltendes Eduktgas zugeführt zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K gekühlten Plasmagas 10. Der Reaktorabschnitt 2d ist so eingerichtet, dass ein Produktgas 20 enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird. Bevorzugt ist der Reaktorabschnitt 2d so ausgelegt, dass die Parameter Verweilzeit, Volumenstrom an Methan und Energieeintrag durch das Plasma pro kg Methan in den oben angegebenen bevorzugten Bereichen liegen.

Im dritten Reaktorabschnitt 3d wird durch Mittel 31 das im Reaktorabschnitt 2d gebildete Produktgas 20 mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht, so dass ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird.

In dieser ersten Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der vierte Reak- torabschnitt 4d des Reaktors 60d so eingerichtet, dass dem gequenchten Produktgas 30b durch Mittel 43 zur Kühlung bzw. Beheizung eine konstante Temperatur gewählt aus dem Bereich von 400 bis 1000 °C aufgeprägt wird, wobei gegebenenfalls Mittel 42 vorgesehen sind, um das gequenchte Produktgas mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen, wobei die weiteren Quenchfluide ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Methan enthaltenden Quenchfluiden, Luft und Wasser. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid (siehe dazu auch Figur 2).

Figur 1 e zeigt einen Reaktor 60e für eine zweite Variante der oben beschriebenen zwei- ten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Reaktor 60e ist so eingerichtet, dass im dritten Reaktorabschnitt 3e ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird, und umfasst einen vierten Reaktorabschnitt 4e zum Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases, um ein weiterbehandeltes Produktgas 40 umfas- send eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie gegebenenfalls Ruß zu bilden

Der erste Reaktorabschnitt 1 b weist in der in Figur 1 e gezeigten Ausführungsform des Reaktors 60e denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60b aus Figur 1 b, identische Reaktorkomponenten sind daher in den Figuren 1 b und 1 e mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform des Reaktors für diese Variante der zweiten bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der erste Reaktorabschnitt denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60a aus Figur 1a.

Im zweiten Reaktorabschnitt 2e wird über Mittel 21 ein aus einer Einrichtung zum Bereit- stellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltendes Eduktgas zugeführt zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K gekühlten Plasmagas 10. Der Reaktorabschnitt 2e ist so eingerichtet, dass ein Produktgas 20 enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird. Bevorzugt ist der Reaktorabschnitt 2e so ausgelegt, dass die Parameter Verweilzeit, Volumenstrom an Methan, und Energieeintrag durch das Plasma pro kg Methan in den oben angegebenen bevorzugten Bereichen liegen.

Im dritten Reaktorabschnitt 3e wird durch Mittel 31 das im Reaktorabschnitt 2e gebildete Produktgas 20 mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht, so dass ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird.

In dieser zweiten Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der vierte Reaktorabschnitt 4e des Reaktors 60e in einzelne aufeinander folgende Module 41 ', 41 ", 41 "', 41 "", 41 ""' gegliedert mit jeweils Mitteln 43', 43", 43"', 43"", 43""' zur individuellen Kühlung bzw. Beheizung und mit Mitteln 42', 42", 42"', 42"", 42""', um das gequenchte Produktgas 30b mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen. Die Quenchrate ist für jedes Modul individuell einstellbar. Somit durchläuft der Gasstrom beim Durchströmen des Reaktorabschnitts 4e ein Temperaturprofil von höheren hin zu niedrigeren Temperaturen, wobei die Temperaturen der einzelnen Module gewählt sind aus dem oben definierten Bereich, vorzugsweise aus dem als bevorzugt gekennzeichneten Bereich. Besonders bevorzugt ist ein Temperaturprofil, das sich von einem Höchstwert von 1000 °C am Eingang des Reaktorabschnitts 4e bis zu einem Mindestwert von 100 °C am Ausgang des Reaktorabschnitts 4e erstreckt. Figur 1f zeigt einen Reaktor 60f für eine dritte Variante der oben beschriebenen zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Reaktor 60f ist so eingerichtet, dass in dritten Reaktorabschnitt 3f ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird, und umfasst einen vierten Reaktorabschnitt 4f zum Weiterbehan- dein des gequenchten Produktgases in Gegenwart eines oder mehrerer Katalysatoren, um ein weiterbehandeltes Produktgas 40 umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher zu bilden.

Der erste Reaktorabschnitt 1 b weist in der in Figur 1f gezeigten Ausführungsform des Reaktors 60f denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60b aus Figur 1 b, identische Reaktorkomponenten sind daher in den Figuren 1 b und 1f mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform des Reaktors für diese Variante der zweiten bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der erste Reaktorabschnitt denselben grundlegenden Aufbau auf wie in Reaktor 60a aus Figur 1a. Im zweiten Reaktorabschnitt 2f wird über Mittel 21 ein aus einer Einrichtung zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltendes Eduktgas zugeführt zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K gekühlten Plasmagas 10. Der Reaktorabschnitt 2f ist so eingerichtet, dass ein Produktgas 20 ent- haltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen gebildet wird. Bevorzugt ist der Reaktorabschnitt 2f so ausgelegt, dass die Parameter Verweilzeit, Volumenstrom an Methan, und Energieeintrag durch das Plasma pro kg Methan in den oben angegebenen bevorzugten Bereichen liegen.

Im dritten Reaktorabschnitt 3f wird durch Mittel 31 das im Reaktorabschnitt 2f gebildete Produktgas 20 mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid in Kontakt gebracht, so dass ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird. Gegebenenfalls sind Mittel 32 vorgesehen, um das gequenchte Produktgas vor dem Kontakt mit den Katalysatoren 44 mit einem oder mehreren weiteren Quenchfluiden in Kontakt zu bringen, wobei die weiteren Quenchfluide ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methan enthaltende Quenchfluid, Luft und Wasser. Ebenfalls bevorzugt ist der Einsatz eines Teilvolumenstroms der erzeugten organischer Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher als weiteres Quenchfluid (siehe dazu auch Figur 2). In dieser dritten Variante der zweiten bevorzugten Ausführungsform sind in dem vierten Reaktorabschnitt 4f des Reaktors 60f ein oder mehrere Katalysatoren 44 angeordnet. Bevorzugt verfügt der Reaktorabschnitt 4f über Mittel 43 zur Kühlung bzw. Beheizung. Bevorzugt sind der oder die Katalysatoren 44 im vierten Reaktorabschnitt 4f in Form eines beheizten oder unbeheizten Festbetts angeordnet. Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Aus einer Einrichtung 50 zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases wird ein Methan enthaltendes Eduktgas 51 entnommen und einem Reaktor 60 zugeführt. Bei dem Reaktor 60 handelt es sich vorzugsweise um eine der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen 60a bis 60f. Der Reaktor 60 umfasst, wie oben dargelegt, mindestens drei aufeinanderfolgende Reaktorabschnitte (In Figur 2 nicht dargestellt, siehe aber die Figuren 1a-1f). Im ersten Reaktorabschnitt wird über Mittel 1 1 ein Plasmagas, z.B. ein aus der Vorrichtung 50 entnommenes Methan enthaltendes Gas 54, zugeführt, mit dem zugeführten Plasmagas ein Plasma mit einer Temperatur größer als 5000 K erzeugt, und anschließend das Plasmagas auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K abgekühlt. Im zweiten Reaktorabschnitt wird ein aus der Einrichtung 50 zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommene Methan enthaltende Eduktgas 51 zu dem auf eine Temperatur im Bereich von 2500 K bis 5000 K abgekühlten Plasmagas zugeführt und ein Produktgas enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend Ethylen und Acetylen gebildet. Im dritten Reaktorabschnitt wird das im zweiten Reaktorabschnitt gebildete Produktgas mit einem Methan enthaltenden Quenchfluid, z.B. einem aus der Vorrichtung 50 entnommenen Methan enthaltenden Gas 52, so in Kontakt gebracht, dass ein gequenchtes Produktgas mit einer Temperatur im Bereich von 750 K bis 1 100 K gebildet wird. Je nach Einrichtung des Reaktors (Figuren 1 c- 1 f ) wird ein gequenchte Produktgas 30a enthaltend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher sowie gegebenenfalls Ruß gebildet (siehe Figur 1 c), oder ein gequenchtes Produktgas 30b enthaltend eine oder beide Verbindungen aus der Gruppe bestehend aus Ethylen und Acetylen. Im letzteren Fall umfasst der Reaktor 60 einen auf den dritten Reaktorabschnitt folgend einen vierten Reaktorabschnitt zum Wei- terbehandeln des gequenchten Produktgases, um ein weiterbehandeltes Produktgas 40 umfassend eine oder mehrere organische Verbindungen mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher (siehe Figuren 1d-1f) sowie gegebenenfalls Ruß (siehe Figuren 1d und 1 e) zu bilden.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zusätzlich eine Einrichtung 70, um aus dem gequenchten Produktgas 30a oder aus dem weiterbehandelten Produktgas 40 ein Gas 71 umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen von den erzeugten organischer Verbindungen 80 mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher abzutrennen. In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 wird von den erzeugten organischer Verbindungen 80 mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher ein Teilvolumenstrom 82 abgetrennt zur Verwendung als weiteres Quenchfluid im Reaktor 60. Der zur Weiterverarbeitung vorgesehene Anteil 81 der erzeugten organischer Verbindungen 80 mit einem Siedepunkt von 15 °C oder höher wird in geeigneter Weise der vorgesehenen Weiterverarbeitung zugeführt.

Das aus dem gequenchten Produktgas 30a oder nach dem Weiterbehandeln des gequenchten Produktgases 40 in der Vorrichtung 70 abgetrennte Gas 71 umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen wird in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen oder mehrere Zwecke genutzt aus der Gruppe bestehend aus

Quenchfluid 72 Brennstoff 73 für die Bereitstellung elektrischer Energie für die Erzeugung des Plasmas

Plasmagas 74.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zusätzlich eine Einrichtung 90 zum Bereitstellen elektrischer Energie 91 umfassend eine Einrichtung zum Verbrennen mindestens eines Brennstoffs unter Zufuhr von Luft 92. Über Mittel 93 wird der Einrichtung 90 zum Bereitstellen elektrischer Energie mindestens ein Brennstoff zugeführt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:

ein Gas 73 umfassend einen oder mehrere Bestandteile aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, Methan, Acetylen und Ethylen, das in der Vorrichtung 70 aus dem gequenchten Produktgas 30a oder aus dem weiterbehandelten Produktgas 40 abgetrennt worden ist,

und

ein aus der Einrichtung 50 zum Bereitstellen eines Methan enthaltenden Gases entnommenes Methan enthaltendes Gas 53

Über entsprechende, in Figur 2 nicht dargestellte Mittel wird die bereitgestellte elektrische Energie 91 zu den (in Figur 2 nicht dargestellten) Mitteln 12a, 12b, 13 zum Erzeugen eines Plasmas im Reaktor 60 übertragen.