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Verfahren zum Rückgewinnen der Wärme und des Wasserdampfes aus den Reaktionsgasen bei der Konversion von Kohlenmonoxyd oder Methan mit Wasserdampf
Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Verfahren zum Rückgewinnen der Wärme und des Wasserdampfes aus den Reaktionsgasen bei der Konversion von Kohlenmonoxyd oder Methan mit Wasserdampf.
Die Erfindung bezweckt die Erzielung der höchstmöglichen Wärmeausnützung in der Konvertieranlage und dadurch auch eine Verbilligung der industriellen Wasserstoffgewinnung für die Erzeugung von künstlichen Brennstoffen, für die Synthese von Ammoniak od. dgl.
Bei den besagten Konversionen, ob mit oder ohne Druck durchgeführt, werden bisher Verfahren verwendet, bei denen Teile der Vorrichtung, wo die Abkühlung der Reaktionsprodukte erfolgt, infolge von Druckverlusten bei einem niedrigeren Druck arbeiten als die Teile, wo die Befeuchtung und Erwärmung des Ausgangsgases stattfindet. Eine Ausnahme bilden diejenigen Fälle, wo in der Anlage ein Zirkulationsgebläse bzw. ein Dampfinjektor eingeschaltet ist, mit welchem in dem Teil der Anlage, wo das Abkühlen und die Kondensation der Reaktionsprodukte stattfindet, ein um wenige Millimeter Wassersäule höherer Druck aufrechterhalten werden kann, als der Druck in dem Teil, wo die Erwärmung und Befeuchtung des Ausgangsgases stattfindet.
Das erwähnte Verfahren zum Konvertieren von z. B. Kohlenmonoxyd erfordert einen 5 bis 6fachen Überschuss von Wasserdampf in dem in die Reaktion eintretenden Gas
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gegenüber der reagierenden Menge. Aber nur ein Teil von Wasserdampf wird durch direktes Verdampfen des Kreislaufwassers in das Gas gewonnen. Der Rest des Wasserdampfes muss in die Vorrichtung in einer Menge von etwa 500 bis 800 g Dampf per 1 Nm3 des Ausgangsgases je nach der Zusammensetzung des Gases vor und nach der Konversion zugeführt werden, was ein Mehrfaches der reagierenden Dampfmenge darstellt.
Bei dem bisherigen Stand wird in das Verfahren nur ein Teil der Wärme der Reaktions- produkte zurückgeführt, wogegen ein bedeutender
Teil der Wärme zum Wegfall kommt. Von aussen muss in die Vorrichtung mit dem Wasserdampf eine der Ordnung nach gleiche Wärmemenge zugeführt werden, die aus dem Kreislauf wegfällt. Auf der andern Seite ist für die Ableitung der entfallenden Wärme, die bei den gegebenen Verhältnissen nicht ausgenutzt werden kann, eine grosse Kühlwassermenge erforderlich.
Gemäss vorliegender Erfindung ist das Verfahren zum Rückgewinnen der Wärme und des Wasserdampfes aus den Reaktionsgasen bei der Konversion von CO oder CH4 mit Wasserdampf, wobei den Reaktionsgasen mittels Kühlwasser die Wärme und der Wasserdampf entzogen wird und das dadurch erhitzte Kühlwasser zur Vorwärmung und Aufsättigung der Frischgase mit Wasserdampf verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kompression der gesättigten Frischgase der Druck bei der Konvertierung und beim Kühlen der Reaktionsgase etwa 1, 5mal so gross gehalten wird als bei der Sättigung und Erwärmung der Frischgase.
Es ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass in der deutschen Patentschrift Nr. 476840 bereits eine Anordnung zum Ausnützen der Wärme bei ähnlichen Reaktionen beschrieben ist. Im Vergleich mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist aber dort die Rückgewinnung der Wärme nicht sehr wirkungsvoll, weil die erwähnten Erfindungsmerkmale nicht verwirklicht sind.
In Ausgestaltung der Erfindung ist das Verfahren, bei dem die Behandlung der Frischgase (d. i. der Gase vor der Konversion) im wesentlichen in einer Erhitzung und Sättigung mit Wasserdampf in einem Kontaktaustauscher (Rieselsättiger 1) besteht und die Kontaktgase in einem andern Kontaktaustauscher (Rieselkühler 2) abgekühlt werden und wobei diese beiden Kontaktaustauscher ununterbrochen von Wasser durchströmt werden, welches die Frischgase gleichzeitig erhitzt und sättigt, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Kompressor der Druck im Rieselkühler so hoch getrieben wird, dass die Temperaturen der Gase im Durchgang des Kühlers annähernd den Temperaturen der Gase
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im Durchgang des Sättigers entsprechen und die beiden Kontaktaustauscher in mehrere Stufen aufgeteilt sind,
und die Wärme vom Kühler stufenweise mit Hilfe mehrerer Wasserkreisläufe den Frischgasen im Sättiger übergeben wird.
Weitere Kennzeichen der Erfindung sind, dass das Wasser aus der wärmsten Stufe des Rieselkühlers vor seiner Zuführung in die wärmste Stufe des Rieselsättigers in einem Vorkühler durch die Reaktionsgase vor ihrem Eintritt in den Rieselkühler erhitzt wird, und dass das Reaktionsgas vor seinem Eintritt in den Vorkühler das durch den Kompressor verdichtete Frischgas noch weiter überhitzt.
Das Schema einer der möglichen Anordnungen z. B. einer Druckkonversion von Kohlenmonoxyd mit Wasserdampf gemäss dem erfindungsmässigen Verfahren ist in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht.
Das Ausgangsgas, welches auf einen Druck von etwa 9 atü komprimiertes CO enthält, wird durch eine Rohrleitung 8 in einen Kontaktaus- tauscher-Sättiger geleitet, wo es im Gegenstrom durch im Oberteil des Sättigers eingeführtes Heisswasser auf etwa 160 C erwärmt und befeuchtet wird. Das befeuchtete und erwärmte Gas wird hinter dem Sättiger mittels eines Gebläses 4 auf einen entsprechenden Druck komprimiert, z. B. auf 14 atü, und gegebenenfalls nachträglich mit von aussen durch eine Leitung 9 zugeführtem Wasserdampf befeuchtet. Über einem Oberflächen-Wärmeaustauscher 5 wird das Gas weiter in einen Reaktor 6 befördert, wo bei einer Temperatur von 400 bis 600 C die eigentliche Konversion des Kohlenmonoxydes mit Wasserdampf stattfindet.
Damit die Reaktion bei geeigneten Temperaturen verläuft, wird in den Reaktor durch eine Leitung 12 Kühlkondensat zugeführt. Aus dem Reaktor 6 entweicht das mit Wasserstoff bereicherte Gas über den Austauscher 5, wo es das befeuchtete Gas erwärmt, und über den Vorkühler 7, wo es das Wasser, das in den Oberteil des Sättigers 1 geführt wird, auf etwa 1650 C erwärmt. Das so vorgekühlte Reaktionsgas tritt weiter durch den Kontakt Austauscher- Kühler 2 hindurch und in auf etwa 30-40 C abgekühltem Zustande und mit normalem Druck durch die Rohrleitung 13 zur weiteren Verarbeitung aus.
Im Kühler 2 wird das Reaktionsgas im Gegenstrom mit frischem, kühlem Wasser von etwa 20 C, welches von aussen in den Oberteil des Kühlers durch eine Leitung 10 eingeführt wird, gekühlt. Ausserdem wird an mehreren Stellen des Kühlers 2 (in diesem Beispiel an zwei Stellen) mittels Pumpen 3, 3'das von entsprechenden Stellen des Ausgangsgassättigers 1 mit einer Temperatur von etwa 120 und 1500 C entnommene Wasser über den Vorkühler 7 umgepumpt. In dem Kühler 2 wird das Wasser durch die Reaktionsgase auf eine Temperatur von etwa 160 C erwärmt und aus dem Unterteil des Kühlers das Wasser durch Überdruck über den Vorkühler 7, in welchem seine Temperatur auf etwa 165 C noch erhöht wird, in den Wassergassättiger 1 befördert, wie bereits oben erwähnt.
Der Verlust des Dampfes in der Anlage wird durch Zufuhr von Frischdampf von aussen 9 oder durch den Unterschied der Zufuhr von Frischwasser von aussen 10 und dem Abfall 11 oder durch beides gleichzeitig ersetzt.
Wasser bildet hier also nicht nur eine Reaktionskomponente, sondern gleichzeitig auch ein Wärme- trag-und Wärmeaustauschmedium, welches in diesem Falle in zwei mit den Pumpen 3, 3'versehenen und sich über den Vorkühler 7 schliessenden Kreisläufen umläuft. Die Überführung der Wärme aus den Reaktionsprodukten in das Ausgangsgas wird durch Erhöhung des Temperaturniveaus der Wärme der Reaktionsprodukte infolge der Erhöhung des Druckniveaus in einem Teil des Systems mittels des Gebläses 4, d. h. auf Grund des bereits erwähnten Prinzips des Umpumpens" der Wärme ermöglicht.
Im Rahmen der Erfindung kann man eine Reihe von je nach dem Zweck verschiedenartig kombinierten oder mehr oder weniger komplizierten Systemen ausbilden. So z. B. kann man in dem System verschiedene Kombinationen von Oberflächen- und Kontaktaustauschern verwenden.
Zum Hervorrufen einer Druckänderung in den einzelnen Teilen des Systems können verschiedene geeignete Einrichtungen zum Komprimieren von gasförmigen Stoffen verwendet werden, die in den Arbeitsvorgang an eine geeignete Stelle während des oder nach dem Verdampfen des Wassers in das Gas eingeschaltet werden.
Keine dieser möglichen Anordnungen überschreitet den Rahmen der vorliegenden Erfindung, insofern sie das Grundprinzip der Verbindung einer Wärmepumpe mit einem mehrfachen Wasserkreislauf ausnützen.
Die Erfindung kann vorteilhafterweise bei allen technologischen Vorgängen zur Erzeugung von Wasserstoff durch Konversion von Kohlenmonoxyd oder durch Konversion von Methan Verwendung finden, wo eine vollkommene Wärmeausnützung eine bedeutende Rolle in der Höhe der Erzeugungskosten spielt. Die Erfindung kann eine billige Konversion von Kohlenmonoxyd aus Leuchtgas zwecks Verringerung der Giftigkeit des Leuchtgases ermöglichen.
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