| JP2004018363 | APPARATUS FOR FUEL REFORMING |
| JP2000001446 | CONVERSION OF GAS INTO LIQUID |
| JP3484536 | COMBUSTION DEVICE FOR PRODUCING CARBON MONOXIDE AND HYDROGEN |
CORR, Franz (Königsbacher Str. 108, Ludwigshafen, 67067, DE)
CRONE, Sven (Berwartsteinstr. 15, Limburgerhof, 67117, DE)
OLBERT, Gerhard (Frankenweg 11, Dossenheim, 69221, DE)
CORR, Franz (Königsbacher Str. 108, Ludwigshafen, 67067, DE)
CRONE, Sven (Berwartsteinstr. 15, Limburgerhof, 67117, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung eines Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, mit einer vorgegebenen Konzentration an Sauerstoff und einer vorgegebenen Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass ein fluider Brennstoffstrom mit einem Primärluftstrom bei λ-Werten des Primärluftstromes zum fluiden Brennstoffstrom von 0,6 bis 1 ,2, unter Erhalt eines Verbrennungsgasstromes verbrannt wird, und zum Verbrennungsgasstrom ein Sekundärluftstrom zugemischt wird, unter Erhalt des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung, wobei über den Mengenstrom und die Temperatur des Sekundärluftstromes die vorgegebene Konzentration an Sauerstoff sowie die vorgegebene Temperatur des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärluftstrom Wasserdampf enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fluide Brennstoffstrom ein Teilstrom des einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Ausgangsstromes ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem fluiden Brenn- stoffstrom zusätzlich ein Methan enthaltendes Gas zugemischt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem fluiden Brennstoffstrom zusätzlich ein Rückführstrom aus der endothermen Umsetzung zugemischt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der fluide Brennstoffstrom mit dem Primärluftstrom bei einem λ-Wert von 0,8 verbrannt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärluftstrom und/oder der Sekundärluftstrom durch Wärmeintegration mit dem Produktstrom der endothermen Umsetzung vorerwärmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorerwärmung des Primärluftstromes und/oder des Sekundärluftstromes auf eine Temperatur zwischen 150 und 200 0 C, bevorzugt auf 170 0 C, erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsgasstrom 2 bis 3 Vol-% Restsauerstoff enthält.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampfgehalt im Sekundärluftstrom dergestalt eingestellt wird, dass der durch das Verfahren bereitgestellte, Sauerstoff enthaltende Gasstrom einen
Wasserdampfgehalt im Bereich von 0 bis 50 Vol-%, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 4 Vol-%, aufweist.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt im durch das Verfahren bereitgestellten, Sauerstoff enthaltenden Gasstrom auf 2 bis 20 Vol-%, bevorzugt auf 13 bis 20 Vol-%, eingestellt wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 zur Bereitstellung einer Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung eines Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, mit einer vorgegebenen Konzentration an Sauerstoff und einer vorgegebenen Temperatur, wobei ein fluider Brennstoffstrom mit einem Primärluftstrom bei λ-Werten des Primärluftstromes zum fluiden Brennstoffstrom von 0,6 bis 1 ,2 unter Erhalt eines Verbrennungsgasstromes verbrannt wird, und zum Verbrennungsgasstrom ein Sekundärluftstrom zugemischt wird, unter Erhalt des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung, wobei über den Mengenstrom und die Temperatur des Sekundärluftstromes die vorgegebene Konzentration an Sauerstoff sowie die vorgegebene Temperatur des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes eingestellt werden, gekennzeichnet durch eine lang gestreckte Brennkammer (1 ), mit einer Zuführung (2) des Teilstromes des fluiden Brennstoffstromes über eine oder mehrere, zentral, an einem Ende der Brennkammer angeordnete Düsen (3), die einen Brenner bilden, einer Zuführung (4) des Primärluftstromes in den Be- reich der Düsen (3), und einer Zuführung (5) des Sekundärluftstromes über öffnungen am Umfang der Brennkammer (1 ), sowie mit einer Austrittsöffnung (9) für den durch das Verfahren bereitgestellten Sauerstoff enthaltenden Gasstrom am anderen Ende der Brennkammer (1 ).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1 ) im Wesentlichen, mit Ausnahme der Enden derselben, quaderförmig ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1 ) im Wesentlichen, mit Ausnahme der Enden derselben, zylindrisch ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (4) des Primärluftstromes über eine ringförmige, konzentrisch um die Zuführung (2) des fluiden Brennstoffstromes angeordnete Leitung, erfolgt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnungen für die Zuführung (5) des Sekundärluftstromes Perforationen (7) in der Wand der Brennkammer (1 ) sind, die auf einer oder mehreren ringförmig ü- ber den Umfang der Brennkammer (1 ) angeordneten Bahnen angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnungen am Umfang der Brennkammer (1 ) für die Zuführung des Sekundärluftstromes in Form eines oder mehrere lamellenartiger, ringförmiger Schlitze vorgesehen sind, die dadurch gebildet werden, dass die Wand der Brennkam- mer (1 ) aus zwei oder mehreren Rohrabschnitten gebildet ist, die mit zunehmendem Abstand vom brennerseitigen Ende der Brennkammer (1 ) einen zunehmenden Innendurchmesser aufweisen, und die teilweise ineinander geschoben sind, wobei jedoch der Außendurchmesser des vorangehenden Rohrabschnittes kleiner ist als der Innendurchmesser des nachfolgenden Rohrabschnittes, und wo- durch der eine oder die mehreren ringförmigen Schlitze (8) ausgebildet werden.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Austrittsöffnung (9) für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom ein statischer Mischer (10) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1 ) aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl, insbesondere einem Chrom-Nickel-Stahl, gebildet ist.
20. Verwendung des in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19 bereitgestellten, Sauerstoff enthaltenden Gasstromes in einem Verfahren zur Oxidehydrierung von Pro- pan oder von Butan. |
Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung eines Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung eines Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, mit einer vorgegebenen Konzentration an Sauer- stoff und einer vorgegebenen Temperatur, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung.
Es ist häufig erforderlich, für den Einsatz in Verfahren zu endothermen Umsetzungen einen Sauerstoff enthaltenden Ausgangsstrom bereitzustellen, der eine vorgegebene Konzentration an Sauerstoff und eine vorgegebene Temperatur aufweist. Die benötigten Temperaturen sind häufig so hoch, dass sie nicht allein durch Wärmeintegration mit den verfahrenseigenen Produktströmen erreicht werden können. In Verfahren nach dem Stand der Technik wird daher häufig auf eine insbesondere für Großanlagen sehr kostenintensive elektrische Aufheizung des Sauerstoff enthaltenden Einsatzgasstro- mes zurückgegriffen. Die elektrische Aufheizung hat den weiteren Nachteil, dass sie insbesondere schlecht regelbar ist.
Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Sauerstoff enthaltenden Einsatzgasstromes mit vorgegebener Konzent- ration an Sauerstoff und vorgegebener Temperatur zur Verfügung zu stellen, das technisch einfach durchführbar und im Vergleich zu einer elektrischen Aufheizung weniger aufwändig ist, und das eine gezielte Einstellung des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung eines Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, mit einer vorgegebenen Konzentration an Sauerstoff und einer vorgegebenen Temperatur, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein fluider Brennstoffstrom mit einem Primärluftstrom bei λ-Werten des Primärluftstromes zum fluiden Brennstoffstrom von 0,6 bis 1 ,2 unter Erhalt eines Verbrennungsgasstromes verbrannt wird, und zum Verbrennungsgasstrom ein Sekundärluftstrom zugemischt wird, unter Erhalt des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung, wobei über den Mengenstrom und die Temperatur des Sekundärluftstromes die vorge- gebene Konzentration an Sauerstoff sowie die vorgegebene Temperatur des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes eingestellt werden.
Es wurde gefunden, dass es möglich ist, durch Verbrennung eines fluiden Brennstoffstroms mit einem ersten, so genannten Primärluftstrom und anschließender Zumischung eines weiteren, so genannten Sekundärluftstromes, einen Gasstrom für die endotherme Umsetzung zur Verfügung zu stellen, der die für eine vorgegebene endotherme Umsetzung erforderlichen Voraussetzungen bezüglich der Konzentration an Sauerstoff und bezüglich der Temperatur erfüllt. Der bereitgestellte, Sauerstoff enthaltende Gasstrom ist ein direktes Oxidationsmittel zur Abdeckung des Wärmebedarfes für die vorgegebene endotherme Umsetzung.
Der Begriff Fluid bezeichnet in bekannte Weise alle Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase, die den strömungstechnischen Gesetzen nicht fester Kontinua folgen. Der fluide Brennstoffstrom kann insbesondere ein gasförmiger Brennstoffstrom sein.
Besonders vorteilhaft kann der fluide Brennstoffstrom einen Teilstrom des, für das nachfolgende Verfahren der endothermen Umsetzung bereits in der Anlage vorhandenen Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, sein.
Vorteilhaft kann dem fluiden Brennstoffstrom, der ein Teilstrom des, für das nachfol- gende Verfahren der endothermen Umsetzung bereits in der Anlage vorhandenen Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, ist, zusätzlich ein Methan enthaltendes Gas zugemischt werden.
Weiterhin kann dem fluiden Brennstoffstrom, der ein Teilstrom des einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Ausgangsstromes der endothermen Umsetzung ist, zusätzlich ein Rückführstrom aus der endothermen Umsetzung zugemischt werden.
Die endotherme Umsetzung unter Verwendung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes kann beispielsweise eine Oxidehydrierung oder eine Partialoxidation sein.
Entsprechend enthält der Ausgangsstrom einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, die Ausgangsstoffe für die jeweilige endotherme Umsetzung sind.
Der Anteil des in der nachfolgenden endothermen Umsetzung einzusetzenden fluiden Brennstoffstroms bestimmt sich aus den konkreten Anforderungen der durchzuführenden Umsetzung, insbesondere der Temperatur, die der Sauerstoff enthaltende Gasstrom bei der Zuführung in die endotherme Umsetzung aufweisen muss. Diese Temperatur kann häufig im Bereich von 400 bis 700 0 C liegen.
Der Begriff λ-Wert wird in bekannter Weise zur Charakterisierung von Gemischzusammensetzungen, enthaltend einen oder mehrere Brennstoffe, insbesondere Kohlenwasserstoffe und Luft benutzt, und wird definiert als das tatsächliche Luft- zu Brennstoffverhältnis, bezogen auf das stöchiometrische Luft- zu Brennstoffverhältnis. Ein λ- Wert von 1 entspricht somit der Zusammensetzung für eine vollständige Verbrennung, λ-Werte von größer als 1 entsprechen mageren und λ-Werte von kleiner als 1 fetten Luft/Brennstoff-Gemischen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der λ-Wert des Gemisches aus dem fluiden Brennstoffstrom und dem Primärluftstrom auf einen λ-Wert im Bereich von 0,6 bis 1 ,2 eingestellt, das heißt das Gemisch wird leicht fett bis leicht mager eingestellt. Entsprechend kann der Verbrennungsgasstrom noch Restkohlenwasserstoffe enthalten. Diese werden gegebenenfalls im nachfolgenden Verfahrensschritt durch Zumischen des Sekundärluftstromes vollständig verbrannt. Bevorzugt kann der Verbren- nungsgasstrom jedoch noch einen überschuss an unverbrauchtem Sauerstoff, insbesondere im Bereich von 2 bis 3 Vol-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Verbrennungsgasstromes, enthalten.
Die Verbrennung des Teilstromes des Ausgangsstromes mit dem Primärluftstrom er- folgt insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 1500 bis 1700 0 C.
Dem Verbrennungsgasstrom wird anschließend ein Sekundärluftstrom zugemischt, der bevorzugt Wasserdampf enthält, um die Rußbildung bei der Verbrennung zu unterdrücken.
Der Anteil des zugesetzten Wasserdampfes im Sekundärluftstrom wird bevorzugt so gewählt, dass im Austrittsgasstrom, das heißt im Sauerstoff enthaltenden Gasstrom, der in der endothermen Umsetzung verwendet wird, der Wasserdampfgehalt im Bereich von 0 bis 50 Vol-%, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 4 Vol-%, liegt.
Bevorzugt werden der Primärluftstrom und der Sekundärluftstrom vorgewärmt, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich 150 bis 200 0 C, bevorzugt auf etwa 170 0 C.
Bevorzugt kann die Aufheizung des Primärluftstromes und/oder des Sekundärluftstro- mes durch Wärmeintegration mit dem Produktstrom der endothermen Umsetzung durchgeführt werden.
Der Sauerstoffgehalt des durch das Verfahren bereitgestellte Sauerstoff enthaltenden
Stromes wird, insbesondere durch eine entsprechende Steuerung der zugegebenen Menge an Wasserdampf und insbesondere Sekundärluft, bevorzugt auf einen Wert im
Bereich zwischen 2 und 20 Vol-%, weiter bevorzugt zwischen 13 und 20 Vol-%, eingestellt.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Ver- fahrens zur Bereitstellung einer Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung eines Ausgangsstromes, enthaltend einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe, mit einer vorgegebenen Konzentration an Sauerstoff und einer vorgegebenen Temperatur, wobei ein fluider Brennstoffstrom mit einem Primärluftstrom bei λ- Werten des fluiden Brennstoffstroms von 0,6 bis 1 ,2 unter Erhalt eines Verbrennungs- gasstromes vollständig verbrannt wird, und zum Verbrennungsgasstrom ein Sekundärluftstrom zugemischt wird, unter Erhalt des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes für die endotherme Umsetzung, wobei über den Mengenstrom und die Temperatur des Sekundärluftstromes die vorgegebene Konzentration an Sauerstoff sowie die vorgegebene Temperatur des Sauer- stoff enthaltenden Gasstromes eingestellt werden, die durch eine lang gestreckte Brennkammer gekennzeichnet ist, mit einer Zuführung des fluiden Brennstoffstromes über eine oder mehrere, zentral, an einem Ende der Brennkammer angeordnete Düsen, die einen Brenner bilden, und des Primärluftstromes in den Bereich der Düsen, einer Zuführung des Sekundärluftstromes über öffnungen am Umfang der Brennkammer, sowie mit einer Austrittsöffnung für den durch das Verfahren bereitgestellte Sauerstoff enthaltenden Gasstrom am anderen Ende der Brennkammer.
Die Vorrichtung umfasst eine lang gestreckte Brennkammer, die aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere einem hochtemperaturbeständigen Stahl, bevorzugt einem Chrom-Nickel-Stahl gebildet ist, und die mit einer äußeren Wärmeisolierung versehen ist. Die Brennkammer kann im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein. Im Wesentlichen bedeutet vorliegend, dass die Geometrie der Brennkammer insbesondere an den beiden Enden derselben, das heißt im Bereich der Zuführung der Verbrennungsgase zum Brenner sowie im Bereich der Austrittsöffnung, von der quaderförmigen Geometrie abweichen kann.
Die Brennkammer ist bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Im Wesentli- chen bedeutet vorliegend, dass die Geometrie der Brennkammer, insbesondere an den Enden derselben, das heißt im Bereich der Zuführung der Verbrennungsgase zum Brenner sowie der Austrittsöffnung, von der zylindrischen Geometrie abweichen kann. Darüber hinaus wird die Brennkammerwand in einer bevorzugten Ausführungsform aus zwei oder mehreren konzentrischen Abschnitten gebildet, mit zunehmendem Durch-
messer bei zunehmendem Abstand vom brennerseitigen Ende der Brennkammer; somit ist auch diese Ausbildung nur im Wesentlichen, und nicht exakt zylinderförmig.
Die Brennkammer kann bevorzugt aufrecht stehend angeordnet sein, mit dem bren- nerseitigen Ende unten und dem austrittsgasseitigen Ende oben.
Die lang gestreckte Brennkammer weist an einem Ende derselben eine Zuführung für den fluiden Brennstoffstrom auf, die zentral angeordnet ist und die in die Brennkammer über eine oder mehrere Düsen mündet, die einen Brenner bilden.
In den Bereich der Düsen wird der Primärluftstrom eingeleitet, insbesondere über eine Leitung, die konzentrisch um die Zuleitung für den fluiden Brennstoffstrom angeordnet ist.
Die Verbrennung wird über einen Flammenwächter überwacht, wie er in der Brennertechnik gebräuchlich ist.
Für die Zumischung von Sekundärluft zu den Verbrennungsgasen aus dem Brenner sind öffnungen am Umfang der Brennkammer vorgesehen.
Diese können Perforationen in der Wand der Brennkammer sein, die im Bereich der Brennkammer, die auf den Brenner folgt, auf einer oder mehreren ringförmigen Umfangbahnen angeordnet sein können.
Bevorzugt sind die öffnungen am Umfang der Brennkammer für die Zuführung des Sekundärluftstromes jedoch in Form von lamellenartigen, ringförmigen Schlitzen ausgebildet. Diese sind bevorzugt ab der Mitte der Brennkammer angeordnet und werden dadurch gebildet, dass die Brennkammerwand aus zwei oder mehreren, konzentrischen Rohrabschnitten gebildet ist, mit zunehmendem Durchmesser bei zunehmen- dem Abstand der Rohrabschnitte vom Brenner und wobei der Außendurchmesser des vorhergehenden Rohrabschnittes kleiner ist als der Innendurchmesser des jeweils nachfolgenden Rohrabschnittes. Dadurch verbleiben zwischen den, teilweise ineinander geschobenen Rohrabschnitten, die ringförmigen Schlitze für die Zuführung des Sekundärluftstromes.
Durch die besondere Ausführung mit den oben beschriebenen ringförmigen Schlitzen für die Zuführung des Sekundärluftstromes wird nicht nur die Einstellung des vorgegebenen Sauerstoffgehaltes sowie der vorgegebenen Temperatur für den bereitzustellenden, Sauerstoff enthaltenden Gasstrom, erreicht, der Sekundärluftstrom hat darüber hinaus eine Kühlwirkung für die Wand der Brennkammer.
Am Ende der Brennkammer, das dem Brenner gegenüberliegt, befindet sich eine Austrittsöffnung für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom. Im Bereich der Austrittsöffnung kann bevorzugt ein statischer Mischer angeordnet sein.
Der Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des vorbeschriebenen Verfahrens sowie der vorbeschriebenen Vorrichtung zur Bereitstellung eines Sauerstoff enthaltenden Gasstromes in Verfahren zur Oxidehydrierung, insbesondere in der Oxidehydrierung von Propan oder in der Oxidehydrierung von Butan.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine bevorzugte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Brennkammer.
Die Brennkammer 1 weist an einem Ende eine Zuführung 2 für den fluiden Brennstoffstrom auf, die in einer oder mehreren Düsen 3 in der Brennkammer 1 endet, sowie eine Zuführung 4 für den Primärluftstrom, die konzentrisch um die Zuführung 2 für den Ausgangsstrom angeordnet ist und die im Bereich der Düsen 3 mündet.
Der Sekundärluftstrom wird über eine weitere Zuführung 5 zwischen der äußeren Wand der Brennkammer 1 und der Isolation 6 in die Brennkammer geleitet und kann über Perforationen 7, die auf beispielhaft vier ringförmigen Umfangbahnen angeordnet sind, in die Brennkammer 1 eintreten.
Ab etwa der Mitte der Brennkammer 1 sind beispielhaft drei ringförmige Schlitze 8 vorgesehen, über die die Sekundärluft entlang der Brennkammerwand in die Brennkammer 1 einströmt.
Die Brennkammer mündet in eine Austrittsöffnung 9 für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom. Im Bereich der Austrittsöffnung 9 ist ein statischer Mischer 10 angeordnet.