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Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Druckhydrierung von
Kohlen, Teeren und Mineralölen in flüssiger Phase Bei der kontinuierlichen Druckhydrierung
von Kohlen, Teeren und Mineralölen in flüssiger Phase, wie z. B. von Kohle-Öl-Pasten,
wird bisher die Flüssigkeit zusammen mit dem bei der Reaktion erforderlichen Wasserstoff
unter Druck in einem besonderen Vorheizer aufgeheizt und auf die Reaktionstemperatur
gebracht. Mit dieser Temperatur wird das Gemisch sodann in das Reaktionsgefäß eingeführt.
Hier wird infolge der Anlagerung des Wasserstoffs an das Hydriergut so viel Wärme
entwickelt, daß im praktischen Betrieb außer der Wärmeabfuhr durch die Gefäßwände,
die nur einen kleinen Anteil der entwickelten Wärme ausmacht, noch durch besondere
Maßnahmen gekühlt werden muß, z. B. durch eingebaute besondere Kühlflächen, durch
Einführung von Kaltgas oder durch Einspritzung von kaltem Öl oder von Kohlepaste.
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Diese Maßnahmen bringen wesentliche Nachteile mit sich. Insbesondere
ergibt sich bei der Einführung kalter Stoffe eine Verringerung des für die Reaktion
zur Verfügung stehenden Raumes und eine Änderung des Verhältnisses zwischen Gas
und Reaktionsmasse, so daß der Verlauf der Reaktion oft in unerwünschter Weise beeinflußt
wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung -werden diese Nachteile vermieden
und dabei noch erhebliche Vorteile erzielt. Danach wird das Hydrier aut zusammen
mit Wasserstoff derart von unten in einen Teilraum des durchTrennwände in zwei -enl:r°_cilte,
oben und unten miteinander v°rbtindene I',-ilräume unterteilten Reaktionsgefäßes
eingeführt, daß das Hvdriergut zwischen den beiden Räumen in Kreislaufbewegung versetzt
wird, wobei oben der größte Teil des unten eingeführten Wasserstoffs zusammen mit
der dampfförmigen und in der Regel auch mi einem Teil der flüssigen -lasse abgezogen
wird.
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Die Trennwand kann vorteilhaft aus einem zentral im Reaktionsgefäß
angeordneten Rohr, einem sog. Leitrohr, bestehen, so daß der Innenraurn des Rohres
den einen Teilraum und der Außenraum den anderen Teilraum des Reakt:onsgefäß,es
bildet.
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Der unten eintretende Strom von Hydriergut und Hydri.ergas wird z.
B. in dem Leitrohr hochgeführt. Vom oberen Ende des Leitrohres fließt dann die Hauptni-enge
des flüssi@n Teils im -wesentlichen frei von Gas wieder außerhalb des 1\'.olires
abwärts, kommt unten am Leitrohr wieder mit dein neu eintretenden Gemisch zusammen
und geht erneut durch das Leitrohr nach oben. Am oberen Ausgang des Reaktionsgefäßes
wird natürlich während des Betriebes etwa dieselbe Menge Gas und Flüssigkeit (als
solche oder als Dampf) abgeführt, die unten eintritt.
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Während nun bei der bisher praktisch üblichen Arbeits-veise die Gasblasen
nur in ungeordneter Weise und verhältnismäßig langsam in die Höhe steigen können,
da sie die Zähigkeit der Barüberstehenden Flüssigkeitssäule Überwinden müssen und
da sie selbst den Rückstrom der Flüssigkeit bremsen, entwickelt sich bei dein neuen
Verfahren eine lebhafte Kreislaufströmung in der Längsrichtung des Leitrohres, die
wesentlich schneller sein kann als die ursprüngliche Steiggeschwindigkeit der Blasen
in der Flüssigkeit.
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Es ergibt sich daraus eine starke Durchinischun.-des ganzen Gefäßinhalts
und ein 7.erreißen <--r großen Gasblasen in einen Schaum von kleinsten Bläschen
mit hofier Oberflächenentwicklung. Die rasche Durchmischung des Gefäßinhalts finit
dein neu eintretenden Strom des Hydrierguts -ermöglicht es, die Eintrittstemperatur
des @as-Flüssil:eits-Gemisches um diejenige Temperaturspanne herabzusetzen, -welche
der Wärmetönung im Reaktionsgefäß entspricht. Diese wird nämlich zur -weiteren Aufheizung
der neu zuströmenden Reaktionsstoffe unmittelbar ausgenutzt. Dadurch entfällt, -wenn
die Eintrittstemperatur entsprechend niedrig ist, die Notwendigkeit. Kaltgas od.
dgl. in der bisher erforderlichen Menge zuzugeben: man kann die Menge dieser Kühlmittel
so -weit lierabs°tzen, daß die Reaktion, gerade bequem gesteuert und beherrscht
werden kann.
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Die Kreislaufströmung erhält ihren Antrieb aus dem Auftriebsunterschied
zwischen auf- und abströmenden Teil und aus der Strömungsenergie des in das Gefäß
eintretenden Gemisches. Die Strömungsgeschwindigkeit wird nur durch die Strömungswiderstände
in der Kreislaufbahn begrenzt. -Iaßnahmen zur Begünstigung dieser Strömung und zur
Erhöhung der Geschwindigkeit, -wie düsenförmige Ausbildung der Eintrittsöffnung
mit Injektorwirkung, _lbrundun.g der Ecken des Reaktionsgefäßes und des Leitrohres
und möglichst große Durchmesser von Reaktionsgefäß und Leitrohr sowie Abstimmung
der Strömungsquerschnitte in der «'eise, daß die Widerstände im auf- und absteigenden
Zweig möglichst gleich werden, sind zweckmäßig anzuwenden. Bewegte Vorrichtungen
im Reaktionsgefäß, wie Rühren, bewegt"- Schaufeln u. dgl., sind aber auf alle Fälle
zu vermeiden.
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Die Durchtrittszeit der Gasbläschen durch das Leitrohr und damit der
Aufenthalt im Reaktionsgefäß ist wesentlich kürzer als bei der bisher üblichen Arbeitsweise,
denn das im Reaktionsgefäß gleichzeitig vorhandene Gasvolumen verringert sich erstens
mit steigender Geschwindigkeit der Kreislaufströmung und zweitens dadurch, daß das
Gas im wesentlichen nur im aufsteigenden Strom enthalten ist, während im absteigenden
nur die kleinsten Bläschen mitgenommen werden, welche bei der Stromumkehrung nicht
abgeschieden -worden sind.
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Durch diese Verringerung der in den Reaktionsgefäßen befindlichen
Gasmenge wird ein entsprechender Raum für flüssiges Hydriergut frei, so daß die
Verweilzeit für dieses Gut bei gleichem Reaktionsgefäßvolumen ganz erheblich vergrößert
wird oder bei gleicher Ver-veilzeit eine größere :Menge Hydriergut verarbeitet werden
kann.
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Die Absehe idung des Wasserstoffs und anderer Gase im oberen Teil
des Reaktionsgefäßes wird wesentlich begünstigt, wenn dem aufsteigenden Flüssigl,#eits-Gas-Strom
durch entsprechend angeordnete Einführungsdüsen oder durch Anordnung von Leitflächen
innerhalb des Leitrohres ein starleer Drall erteilt wird. Unter dem Einfluß dieses
Dralls scheidet sich die Flüssigkeit an der Umkehrstelle oben leicht von dem in
der Mitte sich sammelnden Gas ab, so daß nur wenig Gas nach unten mitgenommen -wird.
Im gleichen Sinne wirken kleine Öffnungen am oberen Teil des Leitrohres, da sie
dis Strömun:gsgeschwindigl2eit der Flüssigkeit an dieser Stelle her absetzen: Das
Leitrohr kann doppelwandig ausgeführt und als sehr wirksame Kühl- oder Heizfläche
verwendet werden.
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Ein besonderer Vorteil der vorgeschlagenen Maßnahme liegt, -wie schon
erwähnt, darin, daß die Vorheiztemperatur erniedrigt werden kann. Die Her-,Ihn]-
und Beschaffung der Vorheizrohre für die hohen Reaktionstemperaturen bereitet nämlich
große Schwierigkeiten, da die Festigkeit- auch -legierter Stähle in dem in Frage
kommenden- Gebiet mit steigender Temperatur stark abfällt,, so daß eine Erhöhung
der Wandtemperatur der Vorheizrohre um ioID mehr oder weniger große Bedeutung hat.
Außerdem ist es nur noch- durch erhebliche Vergrößerung derRohrlängemöglic-h,-aufdieReaktionsteniperatur-zu
kommen, wenn die zulässige Temperaturdifferenz
zwischen den zur
Hufheizung benutzten Heizgasen und der Vorheizerzvandtemperatur gering wird.
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Wenn es dagegen ermöglicht wird, d"- Ausgangsstoffe bei einer um etwa
5o oder ioo^ tieferen Temperatur als bisher, also unterhalb der Reaktionstemperatur,
in das Reaktionsgefäß einzuführen, kann der Vorheizer bei niedrigererWandtemperatur
betrieben «-erden. Hierbei verschwinden dann die erwähnten Schwierigkeiten vollkommen.
Außerdem sinkt `,vegen der Verkürzung der Rohrlänge der Vorheizerwiderstand und
damit die erforderliche Pumpenenergie erheblich ab. Meist kann sogar der Vorheizer
im laufenden Betrieb ganz entbehrt werden, wenn die jetzt mögliche Temperaturdifferenz
zwischen dem aus- und eintretenden Strom zum Wärmeaustausch verwendet wird, so daß
der Vorheizer nur noch bei der Inbetriebnahme gebraucht wird.
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Dadurch ergibt sich eine ganz erhebliche Brennstoff- und Energieersparnis
und eine weitgehende Verringerung der Gefahr, die der hohe Wärmevorrat im Vorheizermauerwerk
bei plötzlichen Abstellungen für die Reaktionskainm:.rn bedeutet.
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Neben der Brennstoffersparnis zeigt sich als besonders wichtiger Vorteil
der niedrigeren Vorheizertemperatur und des kleineren Vorheizers eine erhebliche
Ersparnis an teuren, nur schwer zu beschaffenden Legierungsmetallen..
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In Zusammenhang mit der Herabsetzung der Vorheizerteniperatur wird
weiter erreicht, daß das Reaktionsgut geschont wird und nicht mehr überhitzt und
an den Wänden des Vorheiz.ers verkokt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der schon erwähnten Verringerung
der sonst erforderlichen Kaltgasmenge.
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Die Verwendung von viel Kaltgas bedingt einen höheren Druck an den
Umlaufpumpen und damit erheblichen Energieaufwand. Ferner mußte das Kaltgas bisher
an verschiedenen Stellen der Reaktionshammer zugegeben werden, um örtliche CTTberhitzungen
zu vermeiden. Wenn man bei dem vorliegenden Verfahren überhaupt Kaltgas zuführen
will, genügt eine Stelle. Da der ganze Inhalt der hohen Reaktionsgefäße innerhalb
von Bruchteilen einer Minute vollständig umgewälzt wird, herrscht praktisch überall
die gleiche Temperatur.
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Ferner ergibt sich durch die Verringerung der Kaltgasmenge die Möglichkeit,
das Verhältnis von Gas- zur Flüssigkeitsmenge in einer Kammer mit mehreren Reaktionsgefäßen
auf gleicher Höhe zu halten, so daß der gewünschte Partialdruck leichter eingestellt
werden kann.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Verringerung der durch
die Reaktionskammer zu fördernden Stoffmenge dadurch, daß die Verbindungsrohre und
Wärineregeneratoren kleiner werden können oder für größere Leistung ausreichen.
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Durch die bei dem vorliegenden Verfahren sich ergebende feine Verteilung
des Hydriergases nähert sich die Reaktion rascher dem Gleichgewicht, eine Wirkung,
die sonst nur durch Steigerung des Drucke:, längere Verweilzeit oderwertvollere
Katalysatoren erzielt werden kann. Aus dein gleichen Grund-ergibt sich, daß die
mittlere Reaktionstemperatur bei gleichbleibender Leistung und Hydrierwirkung gesenkt
werden kann.
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An Hand der Zeichnung sei das Verfahren weiter erläutert.
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In Abb. I ist i die innere Wand des Reaktionsraumes eines Hydrierofens.
3 ist das Einführungs-und .4 (las Austrittsrohr für das Gas-Flüssigkeits-(z. D.
-Teer-) Gemisch. -2 ist das zentrale Leitrohr, das im Ofen i derart angeordnet ist.
daß sich eine möglichst unbehinderte Kreislaufströmung durch das Leitrohr in der
Längsrichtung des Ofens ausbilden kann. Die Mündung des Rohres 3 ist düsenförmig
verengt, um das Flüssigkeitsgemisch mit erhöhter Geschwindigkeit in den Ofen eintreten
zu lassen.
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In Abb. 1I ist der Querschnitt durch den Ofen i mit dem Leitrohr :2
dargestellt. Es ist unwesentlich, ob die strömende Masse außen oder innen hochgeführt
wird.
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Abb. III zeigt den Querschnitt durch eine andere Ausführung, bei der
die Trennwand kein Leitrohr, sondern eine einfache OOuerwand a darstellt.
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In Abb. IV ist das Leitrohr doppelwandig ausgeführt, um Heiz- und
Kühlflüssigkeit oder Kühlgas aufnehmen zu können oder um Raum für eine elektrische
Heizung zu bieten.
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Zur Verminderung der Strömungswiderstände ist das Leitrohr bei c und
d, der Ofen bei e und f
abgerundet.
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Umeine bessere Trennung zwischen Gas (Schaum) und Flüssigkeit zu erzielen,
ist eine zusätzliche Drehbewegung der Kreislaufströmung überlagert. Hierzu können
schraubenförmige Leitflächen 5, tangential angeordnete Einlaufdüsen 7 und Leitflächen
8 am oberen und unteren Ende des Leitrohres 2 nach Abb. V vorgesehen werden. Unter
der Einwirkung des so erzeugten Dralls bewegt sich die Flüssigkeit vorzugsweise
bei a an der Wand des Rohres a entlang (Abb. IV), während der leichtere Schaum hauptsächlich
in der Mitte nach oben strömt. Hierdurch wird das Gasvolumen im Ofen wesentlich
verringert. Außerdem können öffnungen 6 im Leitrohr am oberen Ende angeordnet werden,
um die Strömungsgeschwindigkeit an der Umlenkstelle zu erniedrigen und eine bessere
Trennung von Flüssigkeit und Gas zu ermöglichen.
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In Abb. `'I ist das Leitrohr z in mehrere Abschnitte unterteilt, so
daß sich mehrere kurze Kreisläufe neben der großen Kreislaufströmung ausbilden können.
Diese kleinen Kreisläufe können auch durch Querwände vollständig voneinander abgeteilt
werden, so daß sog. Mehrfachöfen entstehen, die dann wieder nach Abb. I bis V ausgebildet
werden können.