AT524785B1

AT524785B1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches

Info

Publication number: AT524785B1
Application number: ATA50456/2021A
Authority: AT
Inventors: Alexandru Baur Dragos; Hofbauer Dipl -Ing Ursula
Original assignee: Ecool Advanced Urban Eng Gmbh
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2022-09-15
Also published as: US20240246025A1; EP4351762A1; AT524785A4; WO2022258523A1; BR112023025494A2; CN117479997A

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse (2) mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum (3) mit einer vertikalen Zentralachse (4) auf. Das Gehäuse (2) weist einen Oberteil (5), eine Seitenwand (6), einen Unterteil (7) zum Austragen des Kohlenstoffes, und ein in der vertikalen Zentralachse (4) liegendes Tauchrohr (8) mit einer Öffnung (9) zum Austragen des Wasserstoffes auf. Im Oberteil (5) münden zwei oder mehr Düsen (18) mit einer Düsenmündung (20) zur Injektion des Gasgemisches in den Trennraum (3), deren eine Strahlachse definierende Düsenachse (19) eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes (3), eine Neigungskomponente radial nach außen und eine Neigungskomponente in vertikaler Richtung aufweist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, unter der Wirkung von Zentrifugalkräften.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum thermischen oder katalytischen Trennen von Wasserstoff und Kohlenstoff aus Erdgas bekannt, die aber einerseits hinsichtlich des Energiebedarfes und andererseits hinsichtlich der Geschwindigkeit des Prozesses nicht zufriedenstellend sind.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches zu schaffen.

[0004] Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 26.

[0005] Erfindungsgemäß wird das Gasgemisch in einem Zentrifugalabscheider in Kohlenstoff und Wasserstoff getrennt, womit ein kontinuierliches Verfahren mit relativ geringem Energieverbrauch möglich ist.

[0006] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

[0007] Bei der Erfindung hat sich bewährt, wenn die Düsen auf den Bereich des maximalen AuBendurchmessers des Trennraumes, eventuell auch den unmittelbar darunter und/oder darüberliegenden Bereich, gerichtet sind. Bei einem derartigen Design können im Trennraum sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten um die vertikale Zentralachse („Swirl-Strömung“) und um den Zentralkreis des torusförmigen Trennraumes („Tumble-Strömung“) mit einer zuverlässigen Trennung von Wasserstoff und Kohlenstoff erzielt werden.

[0008] Um die Rotation um die vertikale Zentralachse effizient zu erzeugen, sind die Düsen besonders bevorzugt so ausgerichtet, dass deren durch die Düsenachsen definierte Strahlrichtung im Grundriss (d.h. in einer Normalprojektion parallel zur vertikalen Zentralachse) tangential zu koaxialen Kreisen um die Zentralachse, die durch horizontale Schnitte der Torus-Schale (d.h. des den torusförmigen Trennraum begrenzenden Gehäuses) erzeugt werden, ausgerichtet sind.

[0009] Dabei kann die Düsenmündung wenigstens einer Düse, vorzugsweise einer ersten Gruppe von Düsen, auf einem ersten Kreis liegen und die Düsenmündung wenigstens einer Düse, vorzugsweise einer zweiten Gruppe von Düsen, auf einem zweiten Kreis mit einem anderen Durchmesser liegen.

[0010] Der bevorzugte Bereich der Durchmesser dieses oder dieser Kreise liegt zwischen dem Kreisdurchmesser des Zentralkreises des Torus und einem Kreis mit einem um 1/3 größeren Kreisdurchmesser.

[0011] Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn der maximale Außendurchmesser in einer Normalebene zur vertikalen Zentralachse liegt und wenn der Bereich, in den die Düsen gerichtet sind, in einem Winkel von 0° bis 14°, über der Normalebene liegt, die auf Höhe des maximalen Außendurchmessers liegt, wobei der Scheitel des Winkels im Schnittpunkt der Normalebene und der vertikalen Zentralachse liegt und der Winkel von der Normalebene aus gemessen wird.

[0012] Zusätzlich oder alternativ hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Projektion der Richtung der jeweiligen Düsenachse auf die Normalebene in einem Winkel zwischen 36° und 47° mit Bezug zu der jeweiligen Vertikalebene liegt, in der die vertikale Zentralachse und der Auftreffpunkt der jeweiligen Düsenachse am Gehäuse liegt.

[0013] Diese Bereiche bzw. Winkel haben sich als besonders effektiv herausgestellt, um eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des Gasgemisches sowohl in vertikaler („Tumble-Strömung“)als

auch in horizontaler („Swirl-Strömung“) Richtung zu erzielen.

[0014] Um einen besonders symmetrischen, an einen exakten Torus möglichst gut angenäherten Trennraum zu schaffen, der möglichst wenige, die Gaszirkulation störende geometrische Eigenschaften aufweist, wird der Trennraum auf der dem Oberteil gegenüberliegenden Seite durch eine Bodenplatte begrenzt, die eine erste, im Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung aufweist, und die einen Abschnitt der Oberfläche des Torus bildet.

[0015] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, den Schutzbereich nicht beschränkender, Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen. Es zeigt:

[0016] Fig. 1 eine axonometrische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

[0017] Fig. 2 eine Vertikalansicht der Vorrichtung von Fig. 1,

[0018] Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung von oben im Schnitt,

[0019] Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, [0020] Fig. 5 ein vergrößertes Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt, [0021] Fig. 6 ein weiteres vergrößertes Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,

[0022] Fig. 7 eine schematische Draufsicht zur Veranschaulichung der Lage der Düsenachsen,

[0023] Fig. 8 einen schematischen Vertikalansicht zur Veranschaulichung der Lage der Düsenachsen,

[0024] Fig. 9 eine axonometrische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

[0025] Fig. 10 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 9,

[0026] Fig. 11 einen Vertikalschnitt durch den unteren Teil der Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Austragen des Kohlenstoffs,

[0027] Fig. 12 einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Erhitzen des kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches,

[0028] Fig. 13 einen Horizontalschnitt durch den oberen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Brenner,

[0029] Fig. 14 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, und

[0030] Fig. 15 einen Schnitt durch eine Einrichtung zum Trennen von kohlenwasserstoffhaltigem Gasgemisch und Wasserstoff.

[0031] In den Zeichnungen sind Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, die aber nur beispielhaft sind und, abgesehen von den erfindungsgemäßen Merkmalen, wie sie in den Ansprüchen definiert sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezüglich vieler Komponenten auch anders ausgeführt sein können, ohne dass dies im Folgenden einer besonderen Erwähnung bedarf.

[0032] Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, unter der Wirkung von Zentrifugalkräften, weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse 2 mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum 3 mit einer vertikalen Zentralachse 4 auf. Das Gehäuse 2 weist in der dargestellten Ausführungsform einen Oberteil 5, eine Seitenwand 6, einen Unterteil 7 zum Austragen des Kohlenstoffes und ein in der vertikalen Zentralachse 4 liegendes Tauchrohr 8 mit einer Öffnung 9 zum Austragen des Wasserstoffes auf. Der Oberteil 5, die Seitenwand 6 und der Unterteil 7

können, müssen aber nicht aus separaten Teilen hergestellt sein. Beispielsweise kann die Seitenwand 6 auch von Abschnitten des Oberteils 5 und/oder Unterteils 7 gebildet werden und muss nicht die dargestellte zylindrische Form der Wand aufweisen.

[0033] Das Tauchrohr 8 ragt durch eine mittige Ausnehmung 13 des Oberteils 5, wobei die Öffnung 9 des Tauchrohres 8 im Abstand von einer Bodenplatte 11 angeordnet ist.

[0034] Die Bodenplatte 11 weist eine erste bzw. äußere, im Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung 14 auf, die eine in Draufsicht kreisringförmige Wanne bildet, die gemeinsam mit dem Oberteil 5 und dem Tauchrohr 8 sowie der Seitenwand 6 den als Rotationstorus mit einem Zentralkreis 10 ausgebildeten Trennraum 3 begrenzt, wie durch die strichpunktierten Linien 16 in Fig. 4 angedeutet ist. Zwischen der Seitenwand 6 und dem äußeren Rand der Bodenplatte 11 befindet sich ein Ringspalt 12, durch den der abgeschiedene Kohlenstoff nach unten ausgetragen wird.

[0035] Die Bodenplatte 11 weist des Weiteren eine zweite bzw. innere Vertiefung 15 auf, die ebenfalls eine in Draufsicht kreisringförmige Wanne bildet und im Querschnitt kreisbogenförmig ist. Die Vertiefung 15 liegt unter der Öffnung 9 des Tauchrohres 8 und ermöglicht ein besonders strömungsgünstiges Eintreten des Gasstromes in das Tauchrohr 8.

[0036] An den Oberteil 5 sind Zuleitungen 17 für das kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch in den Trennraum 3 angeschlossen, die über Düsen 18 mit einer Düsenachse 19 in den Trennraum 3 münden. In der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind zwölf Zuleitungen 17 mit Düsen 18 vorhanden, die alle mit einem gleichen Abstand von der Zentralachse 4 an den Oberteil 5 angeschlossen sind. Es können aber auch mehr oder weniger Zuleitungen 17 mit Düsen 18 vorhanden sein.

[0037] Die Düsenmündung 20 der Düsen 18 liegen alle auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt in der vertikalen Zentralachse 4 liegt.

[0038] Es ist aber auch möglich, dass die Düsenmündungen 20 der Düsen 18 mit unterschiedlichen Abständen von der Zentralachse 4 an den Oberteil 5 angeschlossen sind, beispielsweise in parallelen, ringförmigen Reihen, wie dies in Fig. 7 durch die strichlierten Kreise 22, 23 dargestellt ist.

[0039] In diesem Fall liegen zwei Gruppen von Düsen 18 vor, die auf Kreisen 22, 23 mit unterschiedlich großen Durchmessern liegen. Die Düsen 18 sind so ausgerichtet, dass deren durch die Düsenachsen 19 definierte Strahlrichtung eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes 3, also eine Rotation um die Zentralachse 4, und eine Neigungskomponente in vertikaler Richtung, also parallel zur Zentralachse 4, aufweist. Außerdem weisen die Düsenachsen 19 eine Neigungskomponente radial nach außen auf.

[0040] Die Düsenachsen 19 der Düsen 18 sind bevorzugt so ausgerichtet, dass sie in einer Normalprojektion auf die Normalebene 28 tangential zum jeweiligen Kreis 22, 23 liegen.

[0041] Der Trennraum 3 weist einen maximalen Außendurchmesser auf, der in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung an der bzw. knapp unter der Stoßkante 24 liegt, an der der Oberteil 5 und die Seitenwand 6 aneinander anliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Düsenachsen 19 im Wesentlichen genau auf diesen maximalen Außendurchmesser des Trennraumes 3 gerichtet, wie dies insbesondere in Fig. 5 dargestellt ist. D.h., dass die Auftreffpunkte 25 der Düsenachsen 19 auf einer Linie liegen, an der eine Normalebene 28 auf die Zentralachse 4 eine Innenfläche 27 des Trennraumes 3 schneidet.

[0042] Im Rahmen der Erfindung ist es allerdings auch möglich, dass der Bereich 26, in den die Düsen 18 gerichtet sind, d.h. der Bereich, in dem die Auftreffpunkte 25 der Düsenachsen 19 auf die Innenfläche 27 des Trennraumes 3 liegen, sich etwas oberhalb oder unterhalb des maximalen Außendurchmessers erstrecken kann, wobei nicht alle Düsen 18 gleich ausgerichtet sein müssen.

[0043] Insbesondere kann der Bereich 26, auf den einige oder alle Düsen 18 bzw. deren Düsenachsen 19 gerichtet sind, in einem Winkel a zwischen 10°, vorzugsweise 5°, insbesondere 0°, unter der Normalebene 28, und 20°, vorzugsweise 17°, insbesondere 14°, über der Normalebene

28 liegen. Die Abweichung der Auftreffpunkte 25 über oder unter der Normalebene 28 kann sich insbesondere in Abhängigkeit von der Geometrie des Trennraumes 3 und der Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas aus den Düsen 18 austritt, ergeben. Der Winkel a wird so bestimmt, dass sein Scheitel im Schnittpunkt der Normalebene 28 und der vertikalen Zentralachse 4 liegt und der Winkel von der Normalebene 28 aus gemessen wird.

[0044] Dementsprechend ergibt sich in einer Projektion einer jeweiligen Düsenachse 19 auf eine Vertikalebene 29, in der die Zentralachse 4 und der Auftreffpunkt 25 der jeweiligen Düsenachse 19 liegt, bevorzugt ein Winkel v zwischen der Düsenachse und der Normalebene 28 zwischen 34° und 42°,

[0045] Soweit die Neigungskomponente der Düsenachsen 19 in Umfangsrichtung betroffen ist, liegt diese erfindungsgemäß bevorzugt in einem Winkel B, der zwischen 26° und 57°, vorzugsweise zwischen 31° und 52°, insbesondere zwischen 36° und 47° liegt. Der Winkel ß liegt zwischen der Vertikalebene 29, in der die vertikale Zentralachse 4 und der jeweilige Auftreffpunkt 25 der jeweiligen Düsenachse 19 an der Gehäuseinnenfläche 27 liegt, und der Projektion der jeweiligen Düsenachse 19 auf die Normalebene 28. Dies ist insbesondere in Fig. 7 ersichtlich. Auch hier ergeben sich unterschiedliche optimale Winkel ß insbesondere in Abhängigkeit von der Geometrie des Trennraumes 3 und der Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas aus den Düsen 18 austritt.

[0046] Die angegebenen, bevorzugten Winkelbereiche sind des Weiteren auch davon abhängig, in welchem Abstand die Düsen 18 von der Zentralachse 4 am Oberteil angebracht sind. Näher an der Zentralachse 4 liegende Düsen 18 werden in der Regel (müssen aber nicht unbedingt) kleinere Winkel aufweisen, als von der Zentralachse 4 weiter entfernt liegende Düsen 18.

[0047] Durch die in den Zeichnungen dargestellte und vorstehend beschriebene Strahlrichtung der Düsen 18, d.h. die Ausrichtung der Düsenachsen 19, ergibt sich eine Rotation des durch die Düsen 18 in den Trennraum 3 eintretenden Gases sowohl in Umfangsrichtung um die Zentralachse 4 (Pfeil 31 in Fig. 7) als auch in vertikaler Richtung (Pfeile 32 in Fig. 4). Dies hat zur Folge, dass der Kohlenstoff des Gasgemisches aufgrund der erzeugten Fliehkraft an die Innenfläche 27 des Oberteils 5 und der Seitenwand 6 gedrückt wird und durch den Ringspalt 12 in den Unterteil 7 des Gehäuses 2 absinkt.

[0048] Der gasförmige Teil des Gasgemisches, insbesondere der Wasserstoff des Gasgemisches und gegebenenfalls weitere gasförmige Bestandteile, wird aufgrund des geringeren spezifischen Gewichtes nach innen durch das Tauchrohr 8 abgeleitet.

[0049] Die Zuleitungen 17 sind in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung an einem gehäuseseitigen Ende 33 eines Hüllrohres 34 angeschlossen, das das Tauchrohr 8 oberhalb des Oberteils 5 umgibt. Durch das Zuführen des Gasgemisches durch den zwischen dem Tauchrohr 8 und dem Hüllrohr 34 gebildeten Ringspalt 12 kann es zu einem Wärmeaustausch zwischen dem durch den Ringspalt 12 zuströmenden Gas und dem durch das Tauchrohr 8 abströmenden Gas kommen. Am oberen Ende des Tauchrohres ist ein Anschluss 21 für eine Leitung zum Ableiten des gasförmigen Teils aus dem Trennraum 3 bzw. dem Tauchrohr 8 angeordnet.

[0050] Am oberen Ende des Hüllrohres 34 ist ein Anschluss 35 für eine Anschlussleitung 37 angebracht, über die das von einer Heizeinrichtung 38 erhitzte und in einem Verdichter 39 komprimierte, kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch mit einer Temperatur von vorzugsweise 600°C bis 1.200°C zugeführt wird. Bei einer Temperatur von etwa 1.200°C zerfällt das kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch im Wesentlichen vollständig in Kohlenstoff und Wasserstoff, sodass im Trennraum 3 der Kohlenstoffanteil vom gasförmigen Anteil (hauptsächlich Wasserstoff) durch Fliehkraft getrennt werden kann. Bei Temperaturen unter 1.200°C aber über 600°C zerfällt das Gasgemisch nur zum Teil, sodass durch das Tauchrohr 8 reiner Wasserstoff und kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch abgeleitet werden. Umso höher die Temperatur ist, umso höher ist auch der Anteil von getrenntem Wasserstoff und Kohlenstoff und somit die Effizienz der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung. Durch die Temperatur kann auch die räumliche Struktur des abgetrennten Kohlenstoffes beeinflusst werden.

[0051] Das Gasgemisch wird vorzugsweise bei einem Druck von 1,5 bis 2,5 bar zugeführt, wobei im Trennraum 3 die Trennung des Kohlenstoffs vom Wasserstoff erfolgt. Dabei werden an der Mündung der Düsen 18 bevorzugt Strömungsgeschwindigkeiten von 60 m/s bis 70 m/s und im Bereich des Zentralkreises 10 des torusförmigen Trennraumes 3 Strömungsgeschwindigkeiten von 15 m/s bis 22 m/s erzielt, womit eine schnelle und zuverlässige Trennung von Wasserstoff und Kohlenstoff möglich ist.

[0052] Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch bei geringeren oder höheren Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden.

[0053] Um das gewünschte Druckniveau im Trennraum 3 aufrechterhalten zu können, ist in der in Fig. 1, 2 und 4 dargestellten Ausführungsform an der Unterseite des Unterteils 7 eine Klappe 36 angebracht, die in regelmäßigen Abständen geöffnet wird, um den abgeschiedenen Kohlenstoff aus dem Gehäuse 2 austragen zu können.

[0054] In den Fig. 9 bis 15 ist eine weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die grundsätzlich wie die in Verbindung mit den Fig. 1 bis 8 beschriebene Ausführungsform aufgebaut ist. Gleiche Komponenten sind daher auch mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Konstruktiv voneinander abweichende Komponenten können allerdings beliebig miteinander kombiniert werden.

[0055] Diese weitere Ausführungsform der Erfindung weist eine Einrichtung 41 zum kontinuierlichen Austragen des Kohlenstoffs aus dem Unterteil 7 des Gehäuses 2 auf. An den Unterteil 7 schließt ein vertikales Rohr 42 an, in dem sich eine Schnecke 43 mit sich von oben nach unten verringernder Ganghöhe dreht. Durch die geringer werdende Ganghöhe wird der durch die Rotation der Schnecke 43 nach unten geförderte Kohlenstoff zunehmend komprimiert, wodurch das Gehäuse 2 nach unten abgedichtet wird. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gewährleistet, weil der Betrieb nicht durch wiederholtes Öffnen des Unterteils 7 zum Austragen des Kohlenstoffs unterbrochen werden muss.

Angetrieben wird die Schnecke 43 über ein Kegelradgetriebe 44 mit einem Tellerrad 45 und ein Ritzel 46, das von einem Elektromotor 47 angetrieben wird.

[0056] Um unnötige Wärmeverluste durch das Austragen des heißen Kohlenstoffs zu vermeiden, sind sowohl am vertikalen Rohr 42 als auch am daran anschließenden Rohr 42a Wärmetauscher 48 und 49 angebracht. Die Wärmetauscher 48, 49 werden von kohlenwasserstoffhaltigem Gasgemisch durchströmt, das von einer Trenneinrichtung 51 kommend und unter dem Druck der Gaszuleitung 37 durch eine Leitung 52 den ersten, unteren Wärmetauscher 48 durchströmt, dann über eine weitere Leitung 59 in den zweiten, oberen Wärmetauscher 49 eintritt, diesen ebenfalls durchströmt, und anschließend über eine Leitung 61 in das Hüllrohr 34 mündet, wo es mit dem bereits im Ringspalt 12 vorerhitzten Gasgemisch gemischt und der Heizvorrichtung 64 zugeführt wird. In der Heizvorrichtung 64 wird das Gasgemisch dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der das kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch in Kohlenstoff und Wasserstoff zerfällt, worauf das Gasgemisch durch die Zuleitungen 17 in den Trennraum 3 gelangt, in dem der Kohlenstoff vom Gasanteil getrennt wird.

[0057] Die in Fig. 15 im Schnitt dargestellte Trenneinrichtung 51 dient zum Abtrennen von Wasserstoff aus dem Gasgemisch, das durch das Tauchrohr 8 aus dem Trennraum 3 abgeleitet wird. Die Trenneinrichtung 51 weist ein Gehäuse 57 auf, in dem eine Membran 53 angeordnet ist, die den Innenraum des Gehäuses 57 in einen ersten Bereich 54 und einen zweiten Bereich 55 trennt. Die Membran 53 ist zwar für Wasserstoff durchlässig, nicht aber für Kohlenwasserstoffverbindungen. Durch das Tauchrohr 8 aufsteigendes Gasgemisch tritt über eine Leitung 56 in den ersten Bereich 54 des Gehäuses 57 ein, worauf Wasserstoff durch die Membran 53 in den zweiten Bereich 55 diffundieren kann und von dort über eine Ableitung 62 abströmt. Es versteht sich, dass der Wasserstoff auch durch jede andere bekannte Methode aus dem Gasgemisch abgetrennt werden kann.

[0058] Der kohlenwasserstoffhaltige Gasanteil, der im ersten Bereich 54 zurückgehalten wird, wird mittels einer Pumpe 60 durch eine Leitung 58 abgeleitet und mit Frischgas, das über die

Anschlussleitung 37 zugeführt wird, über das Hüllrohr 34 wieder dem Trennraum 3 zugeführt. Ein Teil des durch die Leitung 58 abgeleiteten Gases wird wie vorstehend beschrieben über die Leitung 52 den Wärmetauschern 48, 49 zugeführt.

[0059] Von der Ableitung 62 für den reinen Wasserstoff zweigt eine Versorgungsleitung 63 ab, die zu einer Heizvorrichtung 64 bzw. einem Brenner führt, die in den Fig. 12 und 13 detaillierter dargestellt ist. Die Heizvorrichtung 64 kann zusätzlich oder alternativ zu einer Heizeinrichtung 38 vorgesehen sein, wie sie in Verbindung mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben wurde.

[0060] Die Heizvorrichtung 64 weist einen Brennraum 65 auf, der durch Abstandhalter 66, die zwischen den Zuleitungen 17 angeordnet sind, begrenzt wird. Zwischen den Abstandhaltern 66 und den Zuleitungen 17 befinden sich kleine Spalten, die beispielsweise eine Breite von 0,2 mm aufweisen können, und durch die der über die Versorgungsleitung 63 zugeführte Wasserstoff sowie durch den Anschluss 67 zugeführter Sauerstoff oder Luft in den Brennraum 65 gelangen. Der Brennraum 65 ist des Weiteren nach unten durch einen Boden 68 und nach oben durch einen Deckel 69 begrenzt, der in der Mitte eine Offnung 71 zum Ableiten der Verbrennungsgase aufweist.

[0061] Die Verbrennungsgase beheizen zunächst die Zuleitungen 17 im unmittelbaren Bereich des Brennraumes 65 und steigen, nachdem sie durch die Öffnung 71 getreten sind, in einem Ringraum 72 zwischen dem Hüllrohr 34 und einem Außenrohr 73 auf. Während die heißen Verbrennungsgase im Ringraum 72 aufsteigen, heizen sie weiterhin das durch das Hüllrohr 34 zugeführte kohlenwasserstoffhaltige Gasgemisch auf, bis sie durch einen Auslass 74 abgeleitet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE:

1 Vorrichtung 37 Anschlussleitung 2 Gehäuse 38 Heizeinrichtung 3 Trennraum 39 Verdichter 4 Achse 40 -5 Oberteil 41 Einrichtung 6 Seitenwand 42 Rohr 7 Unterteil 43 Schnecke 8 Tauchrohr 44 Kegelradgetriebe 9 Öffnung 45 Tellerrad 10 Zentralkreis 46 Ritzel 11 Bodenplatte 47 Elektromotor 12 Ringspalt 48 Wärmetauscher 13 Ausnehmung 49 Wärmetauscher 14 erste kreisbogenförmige 50 -Vertiefung 51 Trenneinrichtung 15 zweite kreisbogenförmige 52 Leitung Vertiefung 53 Membran 16 strichpunktierte Linien 54 erster Bereich 17 Zuleitungen 55 zweiter Bereich 18 Düsen 56 Leitung 19 Düsenachse 57 Gehäuse 20 Düsenmündung 58 Leitung 21 Anschluss 59 Leitung 22 Kreis 60 Pumpe 23 Kreis 61 Leitung 24 Stoßkante 62 Ableitung 25 Auftreffpunkt 63 Versorgungsleitung 26 Bereich 64 Heizvorrichtung 27 Innenfläche 66 Abstandhalter 28 Normalebene 65 Brennraum 29 Vertikalebene 67 Anschluss 30 -- 68 Boden 31 Pfeil 69 Deckel 32 Pfeile 70 -33 Ende 71 Öffnung 34 Hüllrohr 72 Ringraum 35 Anschluss 73 Außenrohr 36 Klappe 74 Auslass

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein rotationssymmetrisches Gehäuse (2) mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum (3) mit einer vertikalen Zentralachse (4) aufweist, dass das Gehäuse (2) einen Oberteil (5), eine Seitenwand (6), einen Unterteil (7) zum Austragen des Kohlenstoffes, und ein in der vertikalen Zentralachse (4) liegendes Tauchrohr (8) mit einer Öffnung (9) zum Austragen des Wasserstoffes aufweist, und dass im Oberteil (5) zwei oder mehr Düsen (18) mit einer Düsenmündung (20) zur Injektion des Gasgemisches in den Trennraum (3) münden, deren eine Strahlachse definierende Düsenachse (19) eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes (3), eine Neigungskomponente radial nach außen und eine Neigungskomponente in vertikaler Richtung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenmündung (20) wenigstens einer Düse (18), vorzugsweise einer Gruppe von Düsen (18), auf einem ersten Kreis (22, 23) liegt, dessen Mittelpunkt in der vertikalen Zentralachse (4) liegt, und dass die Düsenachse (19) dieser Düse (18) in einer Normalprojektion tangential zum Kreis (22, 23) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenmündung (20) wenigstens einer Düse (18), vorzugsweise einer Gruppe von Düsen (18), auf einem zweiten Kreis (22, 23) liegt, dessen Mittelpunkt in der vertikalen Zentralachse (4) liegt, und dass die Düsenachse (19) dieser Düse (18) in einer Normalprojektion tangential zum Kreis (22, 23) liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der torusförmige Trennraum (3) einen Zentralkreis aufweist, und dass der Durchmesser des ersten und/oder zweiten Kreises (22, 23) größer als der Durchmesser des Zentralkreises (10) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten und/oder zweiten Kreises (22, 23) kleiner als der um 1/3 vergrößerte Durchmesser des Zentralkreises (10) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennraum (3) einen maximalen Außendurchmesser aufweist, und dass die Düsenachsen (19) der Düsen (18) auf den Bereich des maximalen Außendurchmessers gerichtet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Außendurchmesser in einer Normalebene (28) zur vertikalen Zentralachse (4) liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, in dem der Auftreffpunkt (25) der jeweiligen Düsenachse (19) am Gehäuse (2) liegt, in einem Winkel (a) zwischen 10°, vorzugsweise 5°, insbesondere 0°, unter der Normalebene (28), und 20°, vorzugsweise 17°, insbesondere 14°, über der Normalebene (28) liegt, wobei der Scheitel des Winkels (a) im Schnittpunkt der Normalebene (28) und der vertikalen Zentralachse (4) liegt und der Winkel (a) von der Normalebene (28) aus gemessen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch Vertikalebenen (29), in denen die vertikale Zentralachse (4) und der Auftreffpunkt (25) der jeweiligen Düsenachse (19) am Gehäuse (2) liegt, und dass ein Winkel (ß) zwischen der Normalprojektion der jeweiligen Düsenachse (19) auf die Normalebene (28) und der jeweiligen Vertikalebene (29) zwischen 26° und 57°, vorzugsweise zwischen 31° und 52°, insbesondere zwischen 36° und 47° beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (y) zwischen einer Normalprojektion einer Düsenachse (19) auf eine Vertikalebene (29), in der die Zentralachse (4) und der Auftreffpunkt (25) der jeweiligen Düsenachse (19) liegt, und der Normalebene (28) zwischen 34° und 42° beträgt.

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Ästerreichisches AT 524 785 B1 2022-09-15

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (8) durch den Oberteil (5) von oben in den Trennraum (3) ragt.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennraum (3) auf der dem Oberteil (5) gegenüberliegenden Seite durch eine Bodenplatte (11) begrenzt wird.

Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bodenplatte (11) und der Seitenwand (6) ein Ringspalt (12) gebildet ist, durch den der Kohlenstoff in den Unterteil (7) strömt.

Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (11) eine erste, im Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung (14) aufweist, die den Trennraum (3) begrenzt.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (11) im Bereich vor der Offnung (9) des Tauchrohres (8) eine zweite, im Querschnitt kreisbogenförmige Vertiefung (15) aufweist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (8) außerhalb des Gehäuses (2) wenigstens teilweise von einem Hüllrohr (34) zum Zuführen des Gasgemisches umgeben ist.

Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an das Hüllrohr (34) Zuleitungen (17) angeschlossen sind, die an die Düsen (18) angeschlossen sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (38) für das Gasgemisch, die geeignet ist, das Gasgemisch auf eine Temperatur von wenigstens 700°, vorzugsweise auf eine Temperatur bis 1.200° zu erhitzen.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch einen Verdichter (39), der geeignet ist, das Gasgemisch auf einen Druck von wenigstens 1,5 bar, vorzugsweise auf einen Druck bis 2,5 bar, zu verdichten.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass an den Unterteil (7) ein Rohr (42) anschließt, in dem vorzugsweise eine von einem Motor (47) angetriebene Schnecke (43) drehbar gelagert ist, die vorzugsweise eine sich ändernde Ganghöhe aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass am Rohr (42) wenigstens ein erster Wärmetauscher (49) angeordnet ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an das Tauchrohr (8) eine Trenneinrichtung (51) angeschlossen ist, die, vorzugsweise über eine nur für Wasserstoff durchlässige Membran (53), Wasserstoff aus dem aus dem Trennraum (3) durch das Tauchrohr (8) austretenden Gasgemisch abscheidet.

Vorrichtung nach Anspruch 16, 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (51) über eine Leitung (52) mit dem ersten Wärmetauscher (49) verbunden ist, und dass der Wärmetauscher (49) über eine Leitung (61) mit dem Hüllrohr (34) verbunden ist.

Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leitung (52) und dem ersten Wärmetauscher (49) ein weiterer Wärmetauscher (48) angeordnet ist, der mit dem ersten Wärmetauscher (49) über eine Leitung (59) verbunden ist.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (51) über eine Versorgungsleitung (63) mit einer Heizvorrichtung (64) zum Erhitzen des kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches verbunden ist.

Verfahren zum Trennen von Kohlenstoff und Wasserstoff eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches, insbesondere Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch unter der Wirkung von Zentrifugalkräften, bei dem das Gasgemisch einem rotationssymmetrischen Gehäuse (2) mit einem im Wesentlichen torusförmigen Trennraum (3) mit einer ver-

tikalen Zentralachse (4) zugeführt wird, wobei das Gehäuse (2) einen Oberteil (5), eine Seitenwand (6), einen Unterteil (7) zum Austragen des Kohlenstoffes, und ein in der vertikalen Zentralachse (4) liegendes Tauchrohr (8) mit einer Öffnung zum Austragen des Wasserstoffes aufweist, und dass das Gasgemisch durch zwei oder mehr Düsen (18) in den Trennraum (3) zugeführt wird, die im Oberteil (5) angeordnet sind und eine eine Strahlachse definierende Düsenachse (19) aufweisen, die eine Neigungskomponente in Umfangsrichtung des Trennraumes(3), eine Neigungskomponente radial nach außen und eine Neigungskomponente in vertikaler Richtung aufweist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch mit einer Temperatur von wenigstens 600°C, vorzugsweise zwischen 600°C und 1.200°C, in den Trennraum (3) zugeführt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch bei einem Druck von 1,5 bis 2,5 bar in den Trennraum (3) zugeführt wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass abgetrennter Wasserstoff zum Beheizen einer Heizvorrichtung (64) zum Erhitzen des kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches verwendet wird.

Hierzu 14 Blatt Zeichnungen