CH716081A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Cracken von Methan. - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffgasen, wobei das Kohlenwasserstoffgas durch einen Strömungskanal eines absorptiven Receiver-Reaktors (1,30,40) hindurch geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Cracking während der Durchleitung durch den Receiver-Reaktor (1,30,40) stattfindet, dabei das Kohlenwasserstoffgase in einem ersten Bereich (21) des Strömungskanals (2) auf seine Crackingtemperatur erwärmt, in einem anschliessenden zweiten, stromabwärts liegenden Strömungsbereich (22) über die Crackingtemperatur hinaus erwärmt und in einem dritten, weiter stromabwärts gelegenen Bereich (23) des Strömungskanals noch weiter erwärmt und in diesem über dessen Querschnitt in physischen Kontakt mit einem Reaktionsbeschleuniger gebracht wird, wonach der Strom von Produkten hinter dem Reaktionsbeschleuniger aus dem Receiver-Reaktor (1,30,40) abgegeben wird, und wobei die Erwärmung des Kohlenwasserstoffgases bis über seine Crackingtemperatur hinaus durch Absorption von Schwarzkörperstrahlung (20) erfolgt, die vom durch auf ihn einfallende Sonnenstrahlung (7) erwärmten Reaktionsbeschleuniger auf das auf ihn zufliessende Kohlenwasserstoffgas abgegeben wird, derart, dass das Kohlenwasserstoffgas im Strömungskanal (2) bis hin zum Reaktionsbeschleuniger sich quer zum Strömungskanal (2) erstreckende, scheibenförmige, hintereinandergestaffelte Temperaturzonen (60 bis 67) mit jeweils ansteigender Temperatur ausbildet.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffgasen, insbesondere Methan, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und Receiver-Reaktoren zur Ausführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 8 und 10.

[0002] Das Cracking von Kohlenwasserstoffgasen wie z.B. Methan, Äthan, Propan oder auch Butan wird generell im industriellen Massstab vorgenommen, wobei insbesondere das Cracking von Methan als mögliche Technologie der Zukunft erachtet wird, da die Reaktion CH4-> C + 2 H2unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet, also keine CO2Emissionen freisetzt. Der erzeugte Wasserstoff dient als Energieträger, während der Kohlenstoff industriell für die Herstellung von Produkten wie Industrieruss, Graphit, Diamanten, Kohlenstofffasern, leitende Kunststoffe oder Pneus gebraucht wird.

[0003] Industriell anwendbare, wirtschaftliche Verfahren für das Cracken von Methan mit Hilfe von Solarenergie sind bisher nicht bekannt geworden. Problematisch sind dabei die benötigten hohen Temperaturen im Bereich von ca. 500 C° bis ca. 1200 C° bei Umgebungsdruck. Bei 500 C° (im Folgenden die Crackingtemperatur genannt) ist im Gleichgewichtszustand knapp 50% des Methans disoziiert, bei 1200 C° ist die Dissoziation vollständig, wobei aber der Gleichgewichtszustand erst nach langer (theoretisch unendlicher) Zeit erreicht wird. Bei erhöhtem Betriebsdruck werden für denselben Gleichgewichtszustand, d.h. für eine vergleichbare prozentuale Umwandlung des Methans, höhere Temperaturen benötigt. Im Ganzen ist die Reaktion energieintensiv, träge und schwer beherrschbar, wobei zudem der Kohlenstoff in Form von freien Nanopartikeln, d.h. Russ, freigesetzt wird.

[0004] In der WO 2018/205043 wird ein solarer Receiver offenbart, in welchem ein Wärme transportierendes Fluid für die Verwendung der Wärme in einem nachgeschalteten industriellen Prozess durch Infrarotstrahlung absorptiv erwärmt werden kann, wobei neben CO2, Wasserdampf, SO2, SO3, NO, NO2und HCl auch Methan in seiner Eigenschaft als infrarot-absorptives Gas als geeigneter Wärmeträger für den Transport von Wärme zu einem Verbraucher in Betracht gezogen wird.

[0005] In der US 7 140 181 wird vorgeschlagen, solare Reaktoren für endotherme Reaktionen wie das Cracking von Gasen zu verwenden, wobei die Produktion von CO als Syngasbestandteil aus CO2mit Hilfe eines speziell ausgebildeten Receiver-Reaktors beschrieben wird. In diesem Receiver-Reaktor ist in einem Tunnel ein Keramikstift für die Erzeugung der notwendigen hohen Temperaturen vorgesehen. Eine andere Ausführungsform eines Receiver-Reaktors wird generell als ellipsoidförmiger „holraum reactor“ beschrieben, in welchem ein zu dissoziierendes Gas für einen hohen thermischen Wirkungsgrad neben dem Kontakt mit den heissen Reaktorwänden zusätzlich auch absorptiv erwärmt werden soll.

[0006] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solares Verfahren für das Cracking von Methan und einen Receiver-Reaktor für das Cracking von Methan bereit zu stellen.

[0007] Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und durch Receiver-Reaktoren mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 9, 11 und 13 gelöst.

[0008] Dadurch, dass das Methan quer zum Strömungsweg liegende, scheibenförmige Temperaturzonen, mithin eine vorbestimmte, definierte Temperaturschichtung mit gleichem Temperaturniveau in den jeweiligen Schichten ausbildet, erfolgt eine stetige Erwärmung des Methans gegen den Reaktionsbeschleuniger hin, ohne dass sich den Dissoziationsgrad beeinträchtigende Kältezonen oder überhitzte Zonen ausbilden bzw. erhalten können, so dass der gesamte Methanstrom sich sukzessive auf die gewünschte Reaktionstemperatur erwärmt. Dadurch, dass das Methan in Kontakt mit einem physischen Reaktionsbeschleuniger gebracht wird, erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit derart, dass eine überwiegend vollständige Reaktion im durchströmten Receiver-Reaktor erreicht wird. Dadurch, dass das Methan durch Absorption über seine Crackingtemperatur und über diese hinaus gebracht wird, ergibt sich ein thermochemisch besonders effizienter Vorgang, wobei dann am Reaktionsbeschleuniger die Cracking-Reaktion vergleichsweise schlagartig bis zu einer Gleichgewichtstemperatur für vollständige Dissoziation (und darüber) ausgelöst werden kann, wobei alle diese Vorteile in einem konstruktiv einfachen und wartungsarmen Receiver-Reaktor realisiert werden.

[0009] Dadurch, dass der Receiver-Reaktor wechselweise mit einem reduzierbaren Gas betrieben werden kann, erfolgt selbst eine Wartung des Receiver-Reaktors betreffend Kohlenstoffablagerungen unter Produktion von Syngas, das ebenfalls für die synthetische Produktion von Treibstoffen industriell verwertbar ist.

[0010] Dadurch, dass der Receiver-Reaktor im Absorberbereich eine Vorrichtung für die Erzeugung von Keimen aufweist, kann ein fest eingebauter Absorber durch eine Wolke von Keimen ersetzt werden, mit dem Vorteil, dass Kohlenstoffablagerungen sich an den Keimen absetzen, somit über die Keime mit der Strömung der Produkte Kohlenstoff und Wasserstoff direkt aus dem Receiver-Reaktor abgeführt werden, so dass insofern eine Wartung betreffend Kohlenstoff-Ablagerungen entfällt und der Wartungsbedarf insgesamt entsprechend verringert wird.

[0011] Dadurch, dass der Receiver-Reaktor mit auswechselbaren Absorberelementen versehen ist, kann auch während dem Betrieb, beispielsweise fliegend oder mit nur kurzem Betriebsunterbruch, ein wegen Kohlenstoff-Ablagerungen in der Funktionalität eingeschränktes Element ausgetauscht und separat gereinigt oder ersetzt werden.

[0012] Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

[0013] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben.

[0014] Es zeigt: <tb><SEP>Figur 1 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Receiver-Reaktor nach einem ersten Ausführungsbeispiel, <tb><SEP>Figur 2 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Receiver-Reaktor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, <tb><SEP>Figur 3a schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Receiver-Reaktor nach einem dritten Ausführungsbeispiel, <tb><SEP>Figur 3b schematisch einen Längsschnitt durch den Receiver-Reaktor von Figur 3a, wobei der Querschnitt um neunzig Grad versetzt gelegt ist, <tb><SEP>Figur 4 schematisch den Längsschnitt von Figur 3b zusammen mit einem Diagramm der Temperaturverteilung im Betrieb des Receiver-Reaktors, <tb><SEP>Figur 5 schematisch eine weitere Ausführungsform des Receiver-Reaktors mit modifizierten Zufuhrkanälen, <tb><SEP>Fig. 6 schematisch eine Ausführungsform des Reciever-Reaktors gemäss Figur 5, <tb><SEP>Fig. 7 eine Ansicht auf eine Ausführungsform des Receiver-Reaktors gemäss Figur 5 in horizontaler Betriebslage, <tb><SEP>Fig. 8 einen Schnitt durch den Ringraum des Receivers von Fig. 7, <tb><SEP>Fig. 9 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 8, und <tb><SEP>Fig. 10 die Temperaturverteilung im Receiver gemäss den Figuren 6 bis 9 gemäss einer Simulation.

[0015] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen absorptiven Receiver-Reaktor 1 gemäss einer ersten Ausführungsform mit einem durch ihn hindurchführenden Strömungskanal 2 für ein durch die Pfeile 3,4 symbolisiertes Prozessgas, der von einer durch ein Fenster 5 verschlossenen Öffnung 6 für die Strahlen 7 der Sonne bis zu einem Auslass 8 aus dem Receiver-Reaktor 1 führt. Die Strahlen 7 der Sonne fallen durch die Öffnung 6 in einen Absorberbereich 9 des Receiver-Reaktors 1, der damit im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne liegt (wobei auch allfälllige von den Seitenwänden 13 reflektierte Strahlung in den Absorberbereich 9 gelangt) in welchem in der gezeigten Ausführungsform ein Absorber 10 angeordnet ist. Einzelne Absorberplatten 11 sind durch Streben 12 miteinander verbunden und im Strömungskanal 2 aufgehängt, und bilden so den Absorber 10. Die Absorberplatten 11 sind derart angeordnet, dass sie der Öffnung 6 gegenüberliegen und damit der Absorber 10 über seine ganze Ausdehnung im Betrieb von direkt auf ihn einfallender Sonnenstrahlung 7 beleuchtet wird. Weiter sind die Platten 11 zu einander versetzt angeordnet, so dass das Prozessgas und die Prozessprodukte leicht zwischen den Absorberplatten 11 hindurch strömen kann - der Absorberbereich 9 und der Absorber 10 sind vom Prozessgas durchströmbar. Eine andere Konfiguration des Absorbers 10, beispielsweise eine oder zwei hintereinander und dann zu einander versetzte Lochplatten, ist ebenfalls denkbar.

[0016] Im Betrieb wird dem Receiver-Reaktor 1 ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan als Prozessgas über eine Zuleitung 15 zugeführt, bevorzugt (aber nicht notwendigerweise) in einem Wärmetauscher 16 vorerwärmt und über eine Transportleitung 17 in eine bei der Öffnung 6 vorgesehene Ringleitung 18 geführt, aus welcher es durch den Pfeil 4 symbolisiert über Zufuhrkanäle 19 in den Strömungskanal 2 ausgegeben wird. Der durch die Sonnenstrahlung 7 erwärmte Absorber 10 emittiert Schwarzkörperstrahlung im Infrarotbereich, symbolisiert durch die Pfeile 20. Das im Strömungskanal entsprechend den Pfeilen 3 fliessende Prozessgas, hier Methan ist für die Sonnenstrahlung 7 hoch durchsichtig, absorbiert jedoch die Schwarzkörperstrahlung 20 und erwärmt sich so absorptiv. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Folgenden die Erfindung der Einfachheit halber nur anhand von Methan beschrieben wird, jedoch erfindungsgemäss auch andere Kohlenwasserstoffgase gecrackt werden können und damit Methan nur als (immerhin sehr wichtiges) Beispiel für diese Kohlenwasserstoffgase steht. Der Fachmann kann nun die Strömungsgeschwindigkeit des Methans zusammen mit den Dimensionen des Strömungskanals 2 und der Strahlungsintensität des Absorbers 10 derart abstimmen, dass das Methan auf seinem Weg zum Absorber 10 in einem ersten Bereich 21 des Strömungskanals 2 auf seine Crackingtemperatur erwärmt wird, in einem anschliessenden zweiten, stromabwärts liegenden Strömungsbereich 22 über die Crackingtemperatur hinaus erwärmt und in einem dritten, weiter stromabwärts gelegenen Strömungsbereich 23 des Strömungskanals 2 noch weiter erwärmt wird, wobei der dritte Strömungsbereich 23 dem Absorberbereich 9 entspricht. Zur hier verwendeten Definition der Crackingtemperatur s. oben und auch die Beschreibung zu Figur 4.

[0017] Im dritten Strömungsbereich 23, bzw. im Absorberbereich 9 gelangt das Methan über den Querschnitt des Strömungskanals 2 in physischen Kontakt mit dem Absorber 10, der durch den physischen Kontakt als Reaktionsbeschleuniger für die Dissoziation des Methans wirkt, also ein Reaktionsbeschleuniger ist, der zugleich die Funktion eines Absorbers in einem Receiver besitzt. Ein eventueller konvektiver Wärmeübergang vom damit als Absorber 10 ausgebildeten Reaktionsbeschleuniger ist dabei für die Dissoziation des Methans nebensächlich. Im Ergebnis dissoziiert das Methan durch den physischen Kontakt vergleichsweise schlagartig, so dass sich im vierten Bereich 24, hinter dem Absorberbereich 9, ein Strom von Produkten bildet, der Nanopartikel von Kohlenstoff und Wasserstoff, also Russ und Wasserstoff, aufweist. Dieser Strom wird durch den Auslass 8 aus dem Receiver-Reaktor 1 ausgegeben, nachdem ihm im Wärmetauscher 16 Wärme entzogen worden ist.

[0018] Da die Bildung der Kohlenstoff-Nanopartikel (Russ) schon im ersten Bereich ansatzweise beginnt, und sich langsam im zweiten Bereich aufbaut, kann sich ein Anteil der Nanopartikel auf dem Absorber 10, hier auf den Absorberplatten 11, ablagern und auf diesen als Russschicht festsetzen. Dies ist für das fortlaufende Cracking des frisch zugeführten Methans unbedenklich, da Kohlenstoff bzw. Russ die bevorzugten Eigenschaften des Absorbermaterials aufweist: er ist schwarz, d.h. hoch absorptiv für die einfallende Sonnenstrahlung 7, emittiert nach der Erwärmung die gewünschte (infrarot) Schwarzkörperstrahlung und ist temperaturbeständig im Bereich bis weit über 2000 C°. Mit steigender Ablagerung verändert sich aber die Geometrie des Absorbers 10 auch im Hinblick auf dessen Durchströmeigenschaften bis zu einem Grad, bei dem das Cracking beeinträchtigt wird. Dann muss durch einen (zyklischen) Wartungsschritt die Ablagerung entsprechend beseitigt werden.

[0019] Bei der gezeigten Ausführungsform geschieht das dadurch, dass über eine zweite Zuleitung 15 via die zweite Transportleitung 25 ein zweites Prozessgas in den Reaktor-Receiver 1 eingegeben, zu einer zweiten Ringleitung 26 geführt und von dieser über zweite Zufuhrkanäle 27 in den Strömungskanal 2 ausgegeben wird, wie dies durch die Pfeile 4 angedeutet ist. Das zweite Prozessgas ist bevorzugt ein reduzierbares bzw. oxidierendes Gas, besonders bevorzugt Wasserdampf, welcher sich im ersten 21 und im zweiten Bereich 22 absorptiv erwärmt und dann in der Absorberzone 9 mit dem auf dem Absorber 10 abgelagerten Kohlenstoff chemisch reagiert, nach der Gleichung H2O + C -> CO + H2. Mit anderen Worten ist dann der Receiver-Reaktor auch während der Wartung produktiv und produziert Syngas als Ausgangsstoff für synthetischen Treibstoff. Auf jeden Fall ist die Wasserstoffproduktion nicht unterbrochen, wobei bei der unveränderten Verwendung von Wasserstoff (gegenüber dem Cracking) das Kohlenmonoxid für beispielsweise die Herstellung von Methanol oder anderen flüssigen Kohlenwasserstoffen zum Beispiel mittels Fischer-Tropsch-Synthese verwendbar ist.

[0020] Es ergibt sich ein Receiver Reaktor für das Cracking eines Wasserstoffgases, insbesondere von Methan, der eine Öffnung 6 für die Strahlung 7 der Sonne, und einen Strömungskanal 2 für zu crackendes Methan durch den Receiver-Reaktor 1 hindurch und einen im Pfad der einfallenden Strahlung 7 der Sonne angeordneten, für deren Absorption ausgebildeten Absorberbereich 9 aufweist, der im Betrieb Schwarzkörperstrahlung stromaufwärts in den Strömungsweg emittiert, wobei der Absorberbereich 9 derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er der Öffnung für die Strahlung 7 der Sonne gegenüberliegt und im Betrieb über seine ganze Ausdehnung von direkt auf ihn einfallender Strahlung 7 der Sonne beleuchtet wird, und dass er vom Methan durchströmt werden kann, wobei Zuleitungsabschnitte (14,15) für ein Kohlenwasserstoffgas und für ein Kohlenstoff oxidierendes Gas (bevorzugt Wasserdampf) vorgesehen sind, die derart schaltbar sind, dass der Receiver-Reaktor (1,30,40) wechselweise mit dem Kohlenwasserstoffgas und mit dem reduzierbaren Gas betrieben werden kann. Der Fachmann kann natürlich auch die Transportleitungen 17 oder 25derart auslegen, dass die jeweilige Transportleitung 17,25 sequentiell mit beiden Prozessgasen betrieben werden kann und sich so die andere Transportleitung erübrigt. PA 10 Gemäss Figur 1 sind bevorzugt zwei unabhängig voneinander in den Strömungskanal 2 mündende Leitungsanordnungen (18,19 und 25,26) vorgesehen.

[0021] Es ergibt sich weiter, dass zyklisch an Stelle von Methan ein reduzierbares Gas durch den Receiver Reaktor geleitet wird, derart, dass im Strömungskanal 2, insbesondere im Absorberbereich 9 abgelagerter Russ durch chemische Reaktion mit dem reduzierbaren Gas entfernt wird. Bevorzugt wird als reduzierbares Gas Wasserdampf verwendet, derart, dass der Receiver-Reaktor im Wasserdampfzyklus Syngas und im Methanzyklus Russ und Wasserstoff produziert. Figur 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Receiver-Reaktor 30 gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zum Receiver-Reaktor gemäss Figur 1 weist der Absorberbereich 9 keinen Absorber auf, sondern eine Vorrichtung 31 zur Erzeugung einer Wolke von Keimen 32, welche im physischen Kontakt mit dem Methan als Keimzellen für das Cracking dessen Cracking auslösen. Bevorzugt bestehen diese Keime aus Russpartikeln 32, die über Düsen 33 aus einer Zuleitung 34 für ein Gas-Keimpartikelgemisch in das gemäss den Pfeilen 3 durch den Strömungskanal 2 strömende Methan gesprüht werden, so dass sich im Absorberbereich 9 (bzw. im dritten Bereich 23) eine ständige Wolke aus Keimen bzw. Russpartikeln 32 bildet, die sich durch die einfallende Sonnenstrahlung 7 absorptiv erwärmt, damit ihrerseits Schwarzkörperstrahlung 20 emittiert und so das strömende Methan im ersten Bereich 21 auf seine Crackingtemperatur und im zweiten Bereich 22 über diese hinaus erwärmt. Die Wolke aus Keimen erstreckt sich über den Querschnitt des Strömungskanals 2 und wirkt im dritten Bereich 23 als Reaktionsbeschleuniger für das Cracking (s. dazu auch die Beschreibung zu Figur 4), wobei der sich beim Cracking bildende Kohlenstoff auf den Keimen bzw. Russpartikeln 32 ablagert und über den Auslass 8 aus dem Reaktor-Receiver 30 abgegeben wird. Für den Fall, dass unerwünschte Ablagerungen auf dem in den Strömungskanal 2 hineinragenden Abschnitt der Zuleitung 34 entfernt werden sollen, kann der Fachmann beispielsweise einen Wasserdampfkreislauf gemäss der in der Figur 1 beschriebenen Ausführungsform vorsehen. Ebenso ist es im konkreten Fall möglich, die Düsen 33 gegen die Öffnung 6 auszurichten, so dass die Keime bzw. Russpartikel 32 gegen die Strömung des Methans (Pfeile 3) ausgespritzt werden. Dies kann im Hinblick auf Kohlenstoffablagerungen vorteilhaft sein, da sich bereits gebildeter Russ weniger ablagert als Russ, der sich beim Cracking initiiert durch den physischem Kontakt mit der Leitung 34 gebildet hat.

[0022] Es ergibt sich ein Receiver Reaktor 30 für das Cracking von Methan, der eine Öffnung 6 für die Strahlung 7 der Sonne, und einen Strömungkanal 2 für zu crackendes Methan durch den Receiver-Reaktor hindurch und einen im Pfad der einfallenden Strahlung 7 der Sonne angeordneten, für deren Absorption ausgebildeten Absorberbereich 9 aufweist, der im Betrieb Schwarzkörperstrahlung stromaufwärts in den Strömungskanal 2 emittiert, bei welchem der Absorberbereich 9 derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er der Öffnung 6 für die Strahlung 7 der Sonne gegenüberliegt und im Betrieb über seine ganze Ausdehnung von direkt auf ihn einfallender Strahlung 7 der Sonne beleuchtet wird, wobei weiter der Absorberbereich 9 eine Vorrichtung 31 zur Erzeugung einer Wolke von Keimen (bevorzugt Russpartikel 32) aufweist. Bevorzugt weist die Vorrichtung zur Erzeugung von Keimen wenigstens eine Sprühdüse 33 für Keime, bevorzugt Russpartikel 32 auf.

[0023] Es ergibt sich weiter ein Verfahren, wonach bevorzugt mit dem in der Figur 2 dargestellten Receiver-Reaktor 30 im dritten Strömungsbereich 23 eine Wolke von Keimen 32 in das strömende Methan eingespritzt wird, derart, dass das Cracking über den Querschnitt der Strömung ausgelöst wird, und wobei die Wolke derart ausgebildet wird, dass sie im Pfad des einfallenden Sonnenlichts 7 liegt, dieses absorbiert, sich dadurch erwärmt und Schwarzkörperstrahlung 20 auch stromaufwärts in das strömende Methan abgibt.

[0024] Figur 3a zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Receiver-Reaktor 40 gemäss einer weiteren Ausführungsform. Im Absorberbereich ist ein Absorber 41 vorgesehen, der eine Anzahl von hier stabförmigen Absorberelementen 42 aufweist, die wiederum über eine nur schematisch angedeutete Bewegungsvorrichtung 43 in Richtung des Doppelpfeils 44 in eine Betriebsstellung in den Absorberbereich 9 des Strömungskanals 2 hineingefahren und in eine Ruhestellung ausserhalb des Absorberbereichs 9 hinausgefahren werden können. Der Fachmann kann die Bewegungsvorrichtung 43 im konkreten Fall geeignet ausbilden. Durch Ablagerungen in ihrer Funktionalität beeinträchtigte Absorberelemente 42 können durch die Bewegungsvorrichtung 43 aus dem Absorberbereich entfernt und durch Absorberelemente 42 ohne schädliche Ablagerungen ersetzt werden. Dies kann während dem Betrieb des Reaktor-Receivers 40 geschehen, indem die einzelnen Absorberelemente nach und nach oder entsprechend der Detektion von Ablagerungen ersetzt werden oder, beispielsweise in der Nacht, alle auf einmal.

[0025] Figur 3b zeigt schematisch einen Längsschnitt durch den Receiver-Reaktor 40 der senkrecht zur Länge der Absorberelemente 42 von Figur 3a gelegt ist. Ersichtlich sind die zwei hintereinander gestaffelten Reihen von Absorberelementen 42, wobei natürlich auch nur eine oder mehr als zwei Reihen vorgesehen werden können.

[0026] Es ergibt sich ein Receiver Reaktor für das Cracking eines Kohlenwasserstoffgases, insbesondere Methan, der eine Öffnung für die Strahlung der Sonne, und einen Strömungskanal für zu crackendes Methan durch den Receiver-Reaktor hindurch und einen im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneten, für deren Absorption ausgebildeten Absorberbereich aufweist, der im Betrieb Schwarzkörperstrahlung stromaufwärts in den Strömungskanal emittiert, bei welchem der Absorberbereich derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er der Öffnung für die Strahlung der Sonne gegenüberliegt und im Betrieb über seine ganze Ausdehnung von direkt auf ihn einfallender Strahlung der Sonne beleuchtet wird, und dass er vom Methan durchströmt werden kann, wobei weiter im Absorberbereich ein Absorber vorgesehen ist, der voneinander unabhängig zwischen einer Betriebsstellung im Absorberbereich und einer Austauschstellung ausserhalb dem Absorberbereich bewegbare Absorberelemente und eine Bewegungsvorrichtung für die Absorberelemente aufweist.

[0027] Bevorzugt ist die Bewegungsvorrichtung ausgebildet, eine aktuelle Betriebslage der Absorberelemente in ihrer Betriebsstellung vorbestimmt zu verändern.

[0028] Weiter bevorzugt ist die Bewegungsvorrichtung ausgebildet, in Ruhestellung gebrauchte Absorberelemente gegen frische Absorberelemente auszuwechseln.

[0029] Bevorzugt wird dabei bei laufendem Betrieb ein Absorber oder Teile des Absorbers nach dem Erreichen einer vorgesehenen Schwelle von Ablagerungen ausgewechselt oder gereinigt werden.

[0030] In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungskanal 2 rohrförmig mit einer geraden Achse ausgebildet, wobei sich an dessen einem Ende und quer zu seiner Achse das Fenster 5 und an seinem anderen Ende der Absorberbereich 9 befindet, der sich ebenfalls quer zur Achse und über den ganzen dortigen Querschnitt des Strömungskanals 2 erstreckt.

[0031] Figur 4 zeigt schematisch den Längsschnitt durch den Reciever-Reaktor 40 nach Figur 3b zusammen mit einem Diagramm 50 für die Temperaturverteilung im ersten 21 bis dritten Bereich 23 des Strömungskanals 2 im Betrieb des Receiver-Reaktors 40. Auf der horizontalen Achse ist der Abstand A vom Fenster 5 bis zum Ende des Absorptionsbereichs 9 aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Temperatur T. Der Pfeil 3 symbolisiert wiederum die Strömungsrichtung des Methans. Die durch das Diagramm 50 dargestellten Verhältnisse gelten aber auch analog für jede Ausführungsform des erfindungsgemässen Receiver-Reaktors bzw. im Hinblick auf das erfindungsgemässe Verfahren zum Cracken eines Kohlenwasserstoffgases.

[0032] Die Kurve 51 zeigt den Temperaturverlauf auf einer Achse 52 des Strömungskanals 2, die Kurve 53 denjenigen in der Nähe der Seitenwände 13 und die Kurve 54 den durchschnittlichen Temperaturverlauf des vom Fenster 5 durch den Absorber 41 strömenden Methans (oder, im zyklischen Betrieb gemäss der Beschreibung zu Figur 2, auch des oxidierenden Gases bzw. des Wasserdampfs.

[0033] Die Kurven sind in der Figur nur qualitativ angegeben, basieren aber auf einer mathematischen Modellierung eines absorptiven Receivers der Anmelderin, der gemäss den Figuren 1 bis 4 mit einem geraden, rohrförmigen Strömungskanal 2 ausgebildet ist. Das System ist mit der heute genausten Methode modelliert worden, nämlich „Spectral line-by-line (LBL) photon Monte Carlo raytracing“, wobei die Absorptionskoeffizienten von der HITEMP 2010 Spectroscopic Database stammen. Modelliert ist ein Receiver, dessen Absorptionsraum (Bereiche 21 bis 23) einen Durchmesser von 15,96 m und eine Höhe von 15,96 und die Öffnung 6 einen Durchmesser von 11,28 m aufweist. Daraus ergibt sich eine direkt beleuchtete Fläche des Absorptionsraums 9 von 200 m<2>und eine Fläche der Öffnung 6 von 100 m2. Als Wärme transportierendes Medium wurde Wasserdampf angenommen (wobei sich im Fall von Methan qualitativ keine relevanten Änderungen ergeben), bei einem Druck von 1 bar, ohne Fenster in der Öffnung 6. Der Strahlungsfluss an der Öffnung 6 beträgt 1'200 kW/m<2>und im absorbierenden absorbierenden Bereich (9) 600 kW/m<2>(welche gegenüber der Öffnung 6 die doppelte Fläche aufweist). Diese Modellierung ist in Bezug auf die Temperaturverhältnisse und die Durchschnittstemperatur mit den Abweichungen zum Zentrum oder den Wänden des Strömungskanals 2 übertragbar, insbesondere auch im Hinblick auf die für das Cracking vergleichsweise gering Eingangstemperatur des Methans beim Eintritt in den Strömungskanal 2. Insbesondere illustrieren diese Kurven den stetigen Temperaturanstieg im Strömungskanal 2 durch die absorptive Erwärmung sowie die im Hinblick auf das Cracking relevant verminderten Temperaturabweichungen vom jeweiligen Durchschnittswert zum wandnahen Bereich bzw. axialen Bereich des strömenden Methans.

[0034] Das Methan wird durch die Ringleitung 18 (bevorzugt durch den Wärmetauscher 16 vorgewärmt) in den Strömungskanal 2 ausgegeben, der Abstand A im Diagramm 50 ist Null. Aufgrund der durch die Schwarzkörperstrahlung 20 erhitzten Seitenwände 13 erwärmt sich das Methan im wandnahen Bereich schon früh auf die Crackingtemperatur Tc. Wie oben erwähnt wird der Begriff Crackingtemperatur hier für die Temperatur verwendet, bei welcher im Gleichgewichtszustand, d.h. nach unendlich langer Zeit, 50% des Methans dissoziiert sind.

[0035] Im ersten Bereich 21 des Strömungskanals 2 kommt es jedoch wegen der fortschreitenden Strömung (Pfeile 3) und wegen der trägen Reaktion nicht zum Gleichgewichtszustand, der Prozentsatz des dissoziierten Methans ist wesentlich tiefer, als es der Durchschnittstemperatur (Kurve 54) entspricht. So ist am Ende des ersten Bereichs 22 (Abstand A22), in welchem die Durchschnittstemperatur die Crackintempertur Tcerreicht, das Cracking erst angelaufen. Dabei liegen in Bezug auf das Cracking wandnah mässig überhitzte Zonen, d.h. Zonen, in denen das (träge) Cracking fortschreitet und in der Mitte des Strömungskanals 2 mässig unterkühlte Zonen, in denen das Cracking noch nicht stattfindet, vor. Mit anderen Worten liegt im Bereich 21 eine inhomogen beginnende Dissoziation vor.

[0036] Am Ende des zweiten Bereichs 22 (Abstand A23) liegt die durchschnittliche Temperatur (Kurve 54) deutlich über der Crackingtemperatur Tc, wobei die Abweichung der wandnahen bzw. mittigen Temperaturen (Kurven 53 und 51) kleiner geworden ist - das Cracking ist über den ganzen Querschnitt des Strömungskanals 2 initialisiert. Aber auch hier ist die Dissoziation nicht so weit fortgeschritten und noch nicht so homogen, wie es dem Gleichgewichtszustand bei der Durchschnittstmperatur (Kurve 54) entsprechen würde. Von der Temperatur und vom Zeitablauf her (Gleichgewichtszustand) liegt immer noch ein recht kleiner Anteil an gecracktem Methan vor, der für einen wirtschaftlich vernünftigen Betrieb des Receiver-Reaktors nicht genügen würde.

[0037] Im dritten Bereich 23, d.h. der Absorberzone 9, gerät das Methan in physischen Kontakt mit dem Reaktionsbeschleuniger, der als Absorber ausgebildet ist, sei dies ein fest eingebauter Absorber 10,42 gemäss den Figuren 1 oder 3a,b oder eine Wolke aus Keimen 32 gemäss Figur 2. Während dem Durchtritt durch die Absorberzone 9 erhöht sich die Temperatur des Methans stark, die Temperaturabweichungen von der Durchschnittstemperatur zur Wand 13 bzw. Achse des Strömungskanals 2 verringern sich weiter und können die Homogenität der Dissoziationsreaktion über den Querschnitt des Absorberbereichs 9 nicht beeinträchtigen, sind also für das Cracking selbst nicht mehr relevant.

[0038] Im Detail resultieren beim Durchgang durch den dritten Bereich 23 bzw. die Absorberzone 9 zwei Effekte: Erstens erwärmen sich die Methanmoleküle kurz vor dem physischen Kontakt sehr stark durch die intensive Infrarotstrahlung, sie dissoziieren oder überhitzen (in Bezug auf die Crackingtemperatur) sehr stark. Zweitens wirkt der physische Kontakt als Keimzelle für die Dissoziation, die dann durch die Überhitzung des Methans schnell und fast vollständig stattfindet. Wie oben erwähnt, ist hier eine gewisse Ablagerung von Russ auf einem fest eingebauten Absorber 10,42 nicht vermeidbar, wobei jedoch diese das Cracking selbst nicht störenden Ablagerungen beispielsweise während der Nacht entfernt oder durch einen solaren Betrieb mit einem oxidierenden Gas beseitigt werden können. Es sei angemerkt, dass ein als absorbierende Keimwolke ausgebildeter Reaktionsbeschleuniger gemäss Figur 2 betreffend Ablagerungen besonders günstig ist, da sich die Ablagerungen auf den Keimen 32 bilden, die mit der Strömung (von nun Russpartikeln und Wasserstoffgas) über den Auslass 8 aus dem Receiver-Reaktor 30 abgegeben werden.

[0039] Im Ergebnis ist es so, dass sich im Strömungskanal hintereinander gestaffelte Temperaturzonen bilden (die in der Beschreibung grob in die drei Bereiche 21 bis 23 unterteilt sind), s. die gestrichelten Linien in Figur 4 für die hier angenommenen Zonen 60 bis 67. Diese Zonen 60 bis 67 erstrecken sich natürlich durch den Strömungskanal 2 hindurch, die gestrichelten Linien sind aber zur Entlastung der Figur nur bis an die Seitenwand 13 des Strömungskanals 2 gezogen.

[0040] Unabhängig davon, wo die Zonengrenzen genau gelegt werden, lässt sich festhalten, dass diese sich quer zum Strömungskanal 2 erstrecken, scheibenförmig ausgebildet sind und die Temperatur jeweils von Temperaturzone zu Temperaturzone ansteigt, obschon natürlich in jeder Temperaturzone keine völlig homogene Temperaturverteilung existieren kann, sondern eine geringfügig inhomogene Temperaturverteilung vorliegt (jede Temperaturzone 60 bis 67 hat ihr jeweils höheres Temperaturniveau), deren Temperaturgrenzen jedoch wenigstens ab dem zweiten Strömungsbereich 22 immer näher bei einander liegen (Am Anfang des ersten Strömungsbereichs, s. Zone 60, ist dies der Natur der Sache nach noch nicht so). Dadurch ergibt sich nach dem zweiten Strömungsbereich 22 eine praktisch vollständige und im Hinblick auf das Cracking gleichmässige Erwärmung des Methans, so dass das Cracking mit einem sehr hohen Dissoziationsgrad ausgeführt werden kann, der industriellen Ansprüchen genügt. Zudem ist der Receiver-Reaktor 1,30,40 für den Dauerbetrieb geeignet, wobei Kohlenstoffablagerungen laufend oder in der Nacht entfernt werden können (s. die Beschreibung zu den Figuren 1,3a und 3b) oder im Wesentlichen nicht entstehen (s. die Beschreibung zu Figur 2).

[0041] Generell ergibt sich erfindungsgemäss ein Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffgasen, bevorzugt Methan, wobei das Kohlenwasserstoffgas durch einen Strömungskanal eines absorptiven Receiver-Reaktors hindurch geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Cracking während der Durchleitung durch den Receiver-Reaktor stattfindet, dabei das Methan in einem ersten Bereich des Strömungskanals auf seine Crackingtemperatur erwärmt, in einem anschliessenden zweiten, stromabwärts liegenden Strömungsbereich über die Crackingtemperatur hinaus erwärmt und in einem dritten, weiter stromabwärts gelegenen Bereich des Strömungskanals noch weiter erwärmt und in diesem über dessen Querschnitt in physischen Kontakt mit einem Reaktionsbeschleuniger gebracht wird, wonach der Strom von Produkten hinter dem Reaktionsbeschleuniger aus dem Receiver-Reaktor abgegeben wird, und wobei die Erwärmung des Kohlenwasserstoffgases bis über seine Crackingtemperatur hinaus durch Absorption von Schwarzkörperstrahlung erfolgt, die vom durch auf ihn einfallende Sonnenstrahlung erwärmten Reaktionsbeschleuniger auf das auf ihn zufliessende Kohlenwasserstoffgas abgegeben wird, derart, dass das Methan im Strömungskanal bis hin zum Reaktionsbeschleuniger sich quer zum Strömungskanal erstreckende, scheibenförmige, hintereinandergestaffelte Temperaturzonen mit jeweils ansteigender Temperatur ausbildet.

[0042] Bevorzugt wird dabei als Raktionsbeschleuniger ein Absorber des Receiver-Reaktiors verwendet, der vom durch den Receiver-Reaktor durchgeleiteten Medium durchströmt wird.

[0043] Es sei angemerkt, dass die in der vorliegenden Beschreibung dargestellten Ausführungsformen kombinierbar sind, so kann der Fachmann im konkreten Fall auswechselbare Absorberelemente gemäss den Figuren 3a und 3b zusammen mit einer Wolke aus Keimen 32 gemäss Figur 2 kombinieren, oder zusätzlich noch die Entfernung von Kohlenstoffablagerungen mit Hilfe eines oxidierenden Gases gemäss Figur 1 vorsehen.

[0044] In einem Solarturmkraftwerk werden auch Bauformen eingesetzt, bei denen der Receiver (hier ein Receiver-Reaktor gemäss der vorliegenden Erfindung) oben am Turm angeordnet und schräg nach unten ausgerichtet ist, um die Strahlung des Heliostatenfelds direkt aufzunehmen. Durch die schräge Ausrichtung können sich entsprechend schräg angeordnete Temperaturzonen 60 bis 67 ergeben, welche eine Konvektionsströmung im Wärme transportierenden Fluid erzeugen können, welche wiederum die durch die Temperaturzonen gegebene Temperaturschichtung und damit auch die gewünschte möglichst homogene Temperaturverteilung im dritten Bereich 23 bzw. in der Absorberzone 9 stören können.

[0045] Bei weiteren Bauformen beispielweise in einem Solarturmkraftwerk kann der erfindungsgemässe Receiver-Reaktor vertikal ausgerichtet sein, wobei dann die Strahlung eines Heliostatenfelds über im Solarturm angeordnete Spiegel vertikal nach unten auf den sich in Bodennähe befindenden Receiver 100 gelenkt wird, solch eine Anordnung ist dem Fachmann als „beam-down“ bekannt. (Umgekehrt kann die Strahlung des Heliostatenfelds auch über Spiegel oder durch die Heliostaten selbst vertikal nach oben gelenkt werden, wobei dann der Receiver 100 sich oben auf dem Solarturm befindet.)

[0046] Insbesondere in einem vertikal nach unten ausgerichteten Receiver 100 so, dass sich die Strömung des durch den Absorberraum 28 transportierten Fluids recht gleichmässig ausbildet und sich damit eine deutliche Temperaturschichtung über die Höhe des Absorberraums 28 ergibt. Im Fall einer „beam-down“ Anordnung kann es im konkreten Fall nützlich sein, neben einer genügend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Wärme transportierenden Fluids gegen den Absorber hin auch einen Drall im Fluid gemäss den nachstehend beschriebenen Figuren 5 bis 10 vorzusehen

[0047] Erfindungsgemäss wird deshalb gemäss einer weiteren Ausführungsform des Receiver-Reaktors 1 vorgesehen, Prozessgas, wenigstens das zu crackende Kohlenwasserstoffgas oder auch das reduzierbare Gas, gemäss Figur 5 über die entsprechend modifizierten Zufuhrkanäle 19' und 27' tangential in den Strömungskanal 2 einzugeben, derart, dass das in Richtung der Pfeile 3 strömende Gas zusätzlich um die Achse 52 rotiert. Dabei kann auch der Auslass 8 etwas aus der Mitte des Strömungskanals 2 versetzt werden, so dass er beispielsweise im konkreten Fall, d.h. bei geneigt angeordnetem Receiver 60, nahe an seiner oberen Seite liegt.

[0048] Dazu sind bevorzugt die Zufuhrkanäle 19' und 27' derart ausgebildet, dass sie tangential in den Strömungskanal 2 münden und in der Strömung des jeweiligen Prozessgases einen zusätzlichen Drall gemäss den Pfeilen 61 und 62 erzeugen. Im Ergebnis bleiben auch in Schräglage des Reciever-Reaktors 60 die Temperaturzonen 60 bis 67 gemäss dem Diagramm 50 von Figur 4 erhalten.

[0049] Für den Fall, dass der Auslass 8 exzentrisch zum Störmungskanal 2 angeordnet wird, kann das Prozessgas um eine zur Achse 52 entsprechend parallele Achse rotieren.

[0050] Im Ergebnis ist der Receiver-Reaktor 60 derart ausgebildet ist, dass die Zufuhrkanäle zu einer Längsachse (52) des Strömungswegs 2 tangential ausgebildet sind, derart, dass im Betrieb des Receiver-Reaktors 60 das Prozessgas im Strömungsweg 2 auf seinem Weg zum Absorberbereich (9) einen Drall um diese Achse 52 aufweist.

[0051] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Rotation der Strömung bzw. der Drall auch durch Leitbleche im Strömungsraum 2 erzeugt werden kann, was dank der definierten Temperaturschichtung bevorzugt in dessen erstem Bereich 21 realisiert wird und damit den Aufwand für den erfindungsgemässen Receiver-Reaktor 60 nur unwesentlich erhöht.

[0052] Figur 6 zeigt schematisch eine Ansicht auf einen schräg angeordneten Reciever 110 auf die Seite seiner Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne, wobei tangential zur Achse 103 angeordnete Zufuhrleitungen 104 für das Wärme transportierende Medium ersichtlich sind, welche eine Rotation des Mediums bzw. einen Drall im gegen den Absorber 27 strömenden Medium erzeugen. Der Absorber 27 ist durch die Öffnung bzw. das Quarzfenster 3 in der Figur ersichtlich, wobei zur Entlastung der Figur der Strömungsweg des Mediums durch den Absorber (oder an ihm vorbei) nicht eingezeichnet ist, sondern nur gestrichelt ein Auslassstutzen 106, aus welchem das Medium den Receiver 110 verlässt. Der Auslassstutzen ist bevorzugt etwas exzentrisch nach oben versetzt angeordnet, was in Kombination mit dem Drall des strömenden Mediums eine stabile Temperatur im Wärme transportierenden Medium am Ort des Auslassstutzens 106 ergibt.

[0053] Im Ergebnis ist der Receiver-Reaktor bevorzugt derart ausgebildet, dass im Betrieb das Prozessgas während der in Transportrichtung erfolgenden Durchquerung des Strömungskanals 2 wenigstens teilweise einen Drall um eine zur Transportrichtung parallele Achse 52 des Absorberraums aufweist, wobei der Receiver-Reaktor bevorzugt am Strömungsraum 2 vorgesehene Einlassöffnungen für das Medium aufweist, die gegenüber dessen Achse 52 in gleicher Drallrichtung tangential ausgerichtet sind.

[0054] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Rotation der Strömung bzw. der Drall auch durch Leitbleche im Strömungskanal 2 erzeugt werden kann, was dank der definierten Temperaturschichtung bevorzugt in dessen kaltem Bereich realisiert wird und damit den Aufwand für den erfindungsgemässen Receiver nur unwesentlich erhöht.

[0055] Die Figuren 7 bis 10 zeigen Details eines Receiver-Reaktors 120, der für hohe Effizienz auch bei schräger oder horizontaler Positionierung ausgebildet ist. Figur 7 zeigt eine Ansicht von aussen auf den Receiver-Reaktor 120, die Figuren 8 und 9 einen Querschnitt durch diesen, und Figur 10 die geschichtete Temperaturverteilung in seinem Strömungskanal 2 gemäss einer Simulation der Anmelderin. Zur Entlastung der Figuren ist die Isolation des Receiver-Reaktors 120 sowie dessen tragende, äussere Struktur, die der Fachmann im konkreten Fall leicht konzipieren kann, weggelassen.

[0056] Figur 7 zeigt den Receiver-Reaktor 120, mit seinem Strömungskanal 2, einem Sammelraum 33 und einem Auslassstutzen 121 (s. dazu auch die Darstellung der Figuren 1 und 5). Weiter ersichtlich ist eine Zufuhranordnung 122 für kaltes (Tin) Prozessgas. Die Zufuhranordnung 122 weist einen Ringraum 123 auf, in den Zufuhrleitungen 124 für Prozessgas münden, s. die Pfeile 125, wobei über den Ringraum 123 in den Receiver 120 eingeströmtes Prozessgas in den Strömungskanal 2 in einer zur Achse 127 parallelen Hauptstromrichtung durchquert, sich dabei erwärmt und schliesslich nach dem Cracking via Sammelraum 33 und Auslassstutzen 121 den Receiver 120 mit der Temperatur Tout wieder verlässt (Pfeile 126). Sonnenstrahlen 4 gelangen durch eine in der Figur vom Ringraum 123 verdeckte Öffnung bzw. durch ein Fenster 3 in den Strömungskanal 2 bis hin zur Innenseite des Sammelraums 33, dessen Innenwand bei der dargestellten Ausführungsform als Absorber für die Sonnenstrahlung ausgebildet ist. Wie in der Beschreibung zu Figur 6 erwähnt, ist weiter bei der gezeigten Ausführungsform der Auslassstutzen 121 nach oben versetzt angeordnet.

[0057] Figur 8 zeigt den Ringraum 123 im Schnitt, wobei die Schnittebene wiederum durch eine längs durch den Strömungskanal 2 verlaufende Achse 127 sowie die Zufuhrleitungen 124 geht (s. auch Figur 10). Dabei ist der Ringraum 123 massstäblich dargestellt, ebenso der anschliessende Bereich des Strömungskanals 2 sowie die Lage der Öffnung 3 bzw. eines Fenster 3 für die Strahlung der Sonne. Wie oben erwähnt sind jedoch die Isolation und die tragende Struktur weggelassen, hier insbesondere diejenige für das Fenster 3 und den Ringraum 123. Weiter gezeigt sind die stromaufwärts bzw. einlassseitig angeordneten Zufuhrleitungen 124 für das Wärme transportierende Fluid. Stromabwärts bzw. auslassseitig teilt sich der Ringraum 123 in einen äusseren Ringkanal 132 mit einem ringförmigen Auslassschlitz 130 und einen inneren Ringkanal 133 mit einem ringförmigen Auslassschlitz 131. Der äussere Kanal 132 verläuft koaxial zur Achse 127 des Strömungskanals 2 und benachbart zu dessen Wand 138, der innere Kanal 133 besitzt eine kegelstumpfartige Konfiguration und ist schräg gegen das Innere des Absorptionsraums 28 gerichtet. Dadurch bilden sich im Bereich der Wand 138 Zonen mit verminderter Strömung gegen den Absorber hin nur reduziert bzw. in einem nicht mehr relevanten Ausmass aus, wobei trotz der etwas heisseren Wände (s. das Diagramm 50 von Figur 5) schliesslich vor dem Absorber über den Querschnitt des Strömungskanals 2 eine homogene Temperaturschicht resultiert (s. dazu auch Fig. 10). Besonders bevorzugt verläuft deshalb eine Strömungskomponente aus dem äusseren Kanal 132 parallel zur Wand 138, bevorzugt ist deren Winkel zur Wand 130 kleiner oder gleich 15 Grad, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10 Grad und speziell bevorzugt kleiner gleich 5 Grad. Eine positiver Effekt lässt sich immer noch bei einem Winkel kleiner gleich 10 Grad bzw. 15 Grad erreichen.

[0058] Die Ringkanäle 132,133 sind mit Leitblechen 134,135 versehen (s. Figur 11b), so dass in den Auslassschlitzen 130,131 Öffnungen für das Prozessgas gebildet werden und diesem zusätzlich eine zur Achse 127 tangentiale Strömungskomponente verleihen. Damit tritt es in einer gerichteten Strömung in den Strömungskanal 2 ein und weist neben der zur Achse 127 parallelen Hauptstromrichtung eine zur Achse 127 tangentiale (Drall)Strömungsrichtung auf. Dadurch entstehen die in der Figur beispielhaft eingezeichneten, spiralförmigen Strömungslinien 136 und 137. Im Ergebnis kann eine Störung der Temperaturschichtung im Receiver 120 durch beispielsweise temperaturbedingte Konvektionsströme insbesondere bei schräger oder horizontaler Ausrichtung unterdrückt werden.

[0059] Figur 9 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus Figur 8 zur Verdeutlichung der Verhältnisse. Ersichtlich sind insbesondere die Leitbleche 134' bis 134"' sowie die Komponenten der gerichteten Strömung 136, nämlich diejenige in Richtung der Hauptströmung 141 und die tangentiale Komponente 142.

[0060] Es ergibt sich ein Receiver-Reaktor, der in den Strömungskanals 2 führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die benachbart zu einer Wand 138 des Strömungskanals 2 angeordnet sind und die in Hauptstromrichtung eine Strömungskomponente des in den Strömungskanal 2 einströmenden Prozessgas mit einer Neigung gegenüber der Wand 138 von weniger als 15 Grad bevorzugt gleich oder weniger als 5 Grad erzeugt. Nach den Erkenntnissen der Anmelderin sind solch kleine Winkel notwendig, um im Bereich der Wand 138 für die Effizienz des Absorbers relevante Zonen verminderter Strömungsgeschwindigkeit gegen den Absorber hin zu vermeiden.

[0061] Weiter ergibt sich ein Receiver-Reaktor, bei welchem die Transportanordnung in den Strömungskanal 2 führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die eine zu einer Achse 127 des Strömungskanals 2 tangentiale Strömungskomponente des in den Absorptionsraum 28 einströmenden Prozessgases erzeugt.

[0062] Schliesslich ergibt sich ein Verfahren zum Betrieb eines Receiver-Reaktors, bei welchem das Prozessgas in einem Strömungskanal 2 in eine Rotation versetzt wird, derart dass es im Strömungskanal 2 einen Drall um eine in Transportrichtung bzw. der Hauptstromrichtung, verlaufende Achse (127) aufweist.

[0063] Figur 10 zeigt die Temperaturverteilung gemäss einer CFD Simulation der Anmelderin im Strömungskanal 2 des Receiver-Reaktors 120 mit den folgenden Randbedingungen: <tb><SEP>• Durchmesser des Absorptionsraums 0,8 m, Druck im Strömungskanal = 1 bar <tb><SEP>• Tin= 800 °K, Massenstrom des Prozessgases = 0.045 kg/s <tb><SEP>• Solare Strahlungsleistung durch die durchsichtige Öffnung 3 = 250 kW, Durchmesser der Öffnung: 0.6 m <tb><SEP>• Prozessgas: Wasserdampf <tb><SEP>• Spektrales Strahlungsverhalten von Wasserdampf modelliert mit weighted sum of gray gases (WSGG) Modell und Strahlung gelöst mit der discrete ordinates (DO) Methode <tb><SEP>• Schwarze Wände, Ewall= 1 <tb><SEP>• Schwerkraft vertikal nach unten zeigend (horizontaler Receiver) <tb><SEP>• Winkel des in den Absorptionsraum einströmenden Fluids: 45 Grad

[0064] Der Winkel des einströmenden Fluids im Ringkanal 132 ist der Winkel zwischen der gerichteten Strömung 136 und der Richtung der Hauptströmung 141 von Figur 11b. Der Ringkanal 133 besitzt, wie oben erwähnt, eine kegelstumpfartige Konfiguration, d.h. sein stromabwärts liegendes Ende ist kreisförmig. Der Winkel des aus ihm in den Absorptionsraum einströmenden Fluids ist analog der Winkel seiner Strömungsrichtung zu einer Tangente an diesen Kreis.

[0065] Dabei ist für die Simulation eine im Bereich zwischen der optischen Öffnung 3 und den Wänden 138 des Strömungskanals 2 vereinfachte Geometrie angenommen worden: der Zwischenraum zwischen den Auslassschlitzen 130 und 131 (Figuren 8 und 9) ist durch einen kegelstumpfförmigen Wandbereich 150 ersetzt.

[0066] Die Simulation ergibt eine Auslasstemperatur Toutvon 1'862 °K sowie die in der Figur dargestellte Temperaturschichtung, die durch die Temperaturkurven 140 bis 145 dargestellt ist. Der Temperaturkurve 140 entspricht die Temperatur 1420 °K, der Kurve 141 die Temperatur 1533 °K, der Kurve 142 1589 °K, der Kurve 143 1645 °K, der Kurve 144 1702 °K, und den Kurven 145 1870 °K.

[0067] Es zeigt sich, dass trotz der komplexen thermodynamischen Bedingungen, selbst bei sehr hohen Temperaturen unter anderem durch die heisse von der Strahlung des Absorbers 27 mit aufgeheizten Wand 138 und der komplexen strömungstechnischen Bedingungen unter anderem durch die von den Temperaturunterschieden und der Gravitation erzeugten Konvektionsströmung eine Temperaturschichtung im Prozessgas (hier Wasserdampf) vorliegt, bei welcher die Temperatur von der Öffnung 3 bis zum Auslassstutzen 121 ständig zunimmt, mit der Folge, dass beispielsweise die effizienzmindernde Rückstrahlung durch die Öffnung 3 minimiert werden kann. Es sei noch angemerkt, dass der Fachmann für den konkreten Fall die Richtung der Einströmung bzw. den Drall oder die Rotation des Fluids im Absorptionsraum um eine durch diesen verlaufende Achse geeignet festsetzen kann, ebenso den Ort des Auslassstutzens (zentrisch gemäss Fig. 2 und 3 bis 6 oder versetzt gemäss den Figuren 9 und 10). Kann z. B. im Kontext mit den anderen Parametern (beispielsweise denjenigen der Simulation oben) ein optimaler Drall erzeugt werden, kann der Auslassstutzen auch bei horizontaler Ausrichtung zentrisch angeordnet werden. Umgekehrt kann die Kombination eines vergleichsweise schwachen bzw. nicht optimalen Dralls mit einer versetzten Position des Auslassstutzens die gewünschte Temperaturschichtung erzeugen.

Claims (22)

1. Verfahren zum Cracken von Kohlenwasserstoffgasen, wobei das Kohlenwasserstoffgas durch einen Strömungskanal (2) eines absorptiven Receiver-Reaktors (1,30,40) hindurch geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Cracking während der Durchleitung durch den Receiver-Reaktor (1,30,40) stattfindet, dabei das Kohlenwasserstoffgase in einem ersten Bereich (21) des Strömungskanals (2) auf seine Crackingtemperatur erwärmt, in einem anschliessenden zweiten, stromabwärts liegenden Strömungsbereich (22) über die Crackingtemperatur hinaus erwärmt und in einem dritten, weiter stromabwärts gelegenen Bereich (23) des Strömungskanals noch weiter erwärmt und in diesem über dessen Querschnitt in physischen Kontakt mit einem Reaktionsbeschleuniger gebracht wird, wonach der Strom von Produkten hinter dem Reaktionsbeschleuniger aus dem Receiver-Reaktor (1,30,40) abgegeben wird, und wobei die Erwärmung des Kohlenwasserstoffgases bis über seine Crackingtemperatur hinaus durch Absorption von Schwarzkörperstrahlung (20) erfolgt, die vom durch auf ihn einfallende Sonnenstrahlung (7) erwärmten Reaktionsbeschleuniger auf das auf ihn zufliessende Kohlenwasserstoffgas abgegeben wird, derart, dass das Kohlenwasserstoffgas im Strömungskanal (2) bis hin zum Reaktionsbeschleuniger sich quer zum Strömungskanal (2) erstreckende, scheibenförmige, hintereinandergestaffelte Temperaturzonen (60 bis 67) mit jeweils ansteigender Temperatur ausbildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Raktionsbeschleuniger ein Absorber (10,41) des Receiver-Reaktors (1,30,40) verwendet wird, der vom durch den Receiver-Reaktor (1,30,40) durchgeleiteten Medium durchströmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im dritten Strömungsbereich (23) eine Wolke von Keimen (32) in das strömende Kohlenwasserstoffgas eingespritzt wird, derart, dass das Cracking über den Querschnitt der Strömung ausgelöst wird, und wobei die Wolke derart ausgebildet wird, dass sie im Pfad (7) des einfallenden Sonnenlichts liegt, dieses absorbiert, sich dadurch erwärmt und Schwarzkörperstrahlung (20) auch stromaufwärts in das strömende Methan abgibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Keime (32) Russpartikel verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zyklisch an Stelle eines Kohlenswasserstoffgases ein reduzierbares Gas durch den Receiver Reaktor (1,30,40) geleitet wird, derart, dass im Strömungsweg (2) abgelagerter Russ durch chemische Reaktion mit dem reduzierbaren Gas aufgelöst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als reduzierbares Gas Wasserdampf verwendet wird, bevorzugt derart, dass der Receiver-Reaktor (1,30,40) im Wasserdampfzyklus Syngas und im Methanzyklus Russ und Wasserstoff produziert.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wobei bei laufendem Betrieb ein Absorber (10,41) oder Teile des Absorbers (10,41) nach dem Erreichen einer vorgesehenen Schwelle von Ablagerungen ausgewechselt oder gereinigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kohlenwasserstoffgas Methan ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens das Kohlenwasserstoffgas tangential zu einer Längsachse (52) des Strömungskanals (2) zugeführt wird, derart, dass das gegen die den dritten Bereich (23) des Strömungskanals (2) geführte Gas zusätzlich um eine zur Längsachse (52) parallele Achse rotiert.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eines der Gase Kohlenwasserstoffgas oder das reduzierbare Gas in wenigstens den Bereichen (21) und (22) der Bereiche (21) bis (24) des Strömungskanals (2) in eine Rotation versetzt wird, derart, dass es im Strömungskanal (2) einen Drall um eine zur Transportrichtung (3) parallele Achse (52) aufweist.

11. Receiver Reaktor für das Cracking eines Wasserstoffgases, insbesondere Methan, der der eine Öffnung (6) für die Strahlung (7) der Sonne, und einen Strömungskanal (2) für zu crackendes Methan durch den Receiver-Reaktor (1,30,40) hindurch und einen im Pfad der einfallenden Strahlung (7) der Sonne angeordneten, für deren Absorption ausgebildeten Absorberbereich (9) aufweist, der im Betrieb Schwarzkörperstrahlung (20) stromaufwärts in den Strömungskanal (2) emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbereich (9) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er der Öffnung (6) für die Strahlung (7) der Sonne gegenüberliegt und im Betrieb über seine ganze Ausdehnung von direkt auf ihn einfallender Strahlung (7) der Sonne beleuchtet wird, wobei Zuleitungsabschnitte (14) für ein Kohlenwasserstoffgas und Zuleitungsabschnitte (15) für ein Kohlenstoff oxidierendes Gas vorgesehen sind, die derart schaltbar sind, dass der Receiver-Reaktor (1,30,40) wechselweise mit dem Kohlenwasserstoffgas und mit dem reduzierbaren Gas betrieben werden kann.

12. Receiver-Reaktor nach Anspruch 11, wobei zwei unabhängig voneinander in den Strömungskanal 2 mündende Leitungsanordnungen (18,19 und 25,26) vorgesehen sind.

13. Receiver-Reaktor nach Anspruch 11, wobei das reduzierbare Gas Wasserdampf ist.

14. Receiver Reaktor für das Cracking eines Wasserstoffgases, insbesondere Methan, der eine Öffnung (6) für die Strahlung (7) der Sonne, und einen Strömungskanal (2) für zu crackendes Methan durch den Receiver-Reaktor (1,30,40) hindurch und einen im Pfad der einfallenden Strahlung (7) der Sonne angeordneten, für deren Absorption ausgebildeten Absorberbereich (9) aufweist, der im Betrieb Schwarzkörperstrahlung (20) stromaufwärts in den Strömungskanal (2) emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbereich (9) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er der Öffnung (6) für die Strahlung (7) der Sonne gegenüberliegt und im Betrieb über seine ganze Ausdehnung von direkt auf ihn einfallender Strahlung (7) der Sonne beleuchtet wird, wobei weiter der Absorberbereich (9) eine Vorrichtung (31) zur Erzeugung einer Wolke von Keimen (32) aufweist.

15. Receiver-Reaktor nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung (31) zur Erzeugung von Keimen (32) wenigstens eine Sprühdüse (33) für Keime (32), bevorzugt Russpartikel, aufweist.

16. Receiver Reaktor für das Cracking eines Wasserstoffgases, insbesondere Methan, der eine Öffnung (6) für die Strahlung (7) der Sonne, und einen Strömungskanal (2) für zu crackendes Methan durch den Receiver-Reaktor (1,30,40) hindurch und einen im Pfad der einfallenden Strahlung (7) der Sonne angeordneten, für deren Absorption ausgebildeten Absorberbereich (9) aufweist, der im Betrieb Schwarzkörperstrahlung (20) stromaufwärts in den Strömungskanal (2) emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberbereich (9) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er der Öffnung (6) für die Strahlung (7) der Sonne gegenüberliegt und im Betrieb über seine ganze Ausdehnung von direkt auf ihn einfallender Strahlung (7) der Sonne beleuchtet wird, und dass er vom durch den Strömungsweg 2 strömenden Kohlenwasserstoffgas durchströmbar ausgebildet ist, wobei weiter im Absorberbereich (9) ein Absorber (41) vorgesehen ist, der voneinander unabhängig zwischen einer Betriebsstellung im Absorberbereich (9) und einer Austauschstellung ausserhalb dem Absorberbereich (9) bewegbare Absorberelemente und eine Bewegungsvorrichtung (43) für die Absorberelemente (42) aufweist.

17. Receiver-Reaktor nach Anspruch 16, wobei die Bewegungsvorrichtung (43) ausgebildet ist, eine aktuelle Betriebslage der Absorberelemente (42) in ihrer Betriebsstellung vorbestimmt zu verändern.

18. Reciever-Reaktor nach Anspruch 16, wobei die Bewegungsvorrichtung (43) ausgebildet ist, in Ruhestellung gebrauchte Absorberelemente (42) gegen frische Absorberelemente (42) auszuwechseln.

19. Receiver-Reaktor nach einem der Ansprüche 11,14 oder 16, wobei die Zufuhrkanäle 17', 27' zu einer Längsachse (52) des Strömungswegs 2 tangential ausgebildet sind, derart, dass im Betrieb des Receiver-Reaktors 60 das Prozessgas im Strömungsweg 2 auf seinem Weg zum Absorberbereich (9) einen Drall um diese Achse 52 aufweist.

20. Receiver (25,50,100,120) nach einem der Ansprüche 11,14 oder 16, wobei die Seitenwände (13) des Strömungskanals (2) und/oder der Absorberbereich (9) frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanälen, für den bestimmungsgemässen Betrieb des Receivers (1,30,40,60).

21. Receiver (25,50,100,120) nach einem der Ansprüche 11,14 oder 16, wobei die Transportanordnung in den Absorberraum (28,57) führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die benachbart zu einer Wand 138 des Absorptionsraums (28,57) angeordnet sind und die in Hauptstromrichtung eine Strömungskomponente des in den Absprotionsraum (28,57) einströmenden Fluids mit einer Neigung gegenüber der Wand 138 von weniger als 15 Grad bevorzugt gleich oder weniger als 10 Grad, besonders bevorzugt gleich oder weniger als 5 Grad erzeugt.

22. Receiver (25,50,100,120) nach einem der Ansprüche 11,14 oder 16 wobei die Transportanordnung in den Absorberraum (28,57) führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die eine zu einer Achse 127 des Absorptionsraums (28,57) tangentiale Strömungskomponente des in den Absorptionsraum (28,57) einströmenden Fluids erzeugt.