DE102018213463A1 - Method for providing synthesis gas with the aid of an additional electrical heater - Google Patents

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Klaus Nölker
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches mindestens umfassend:a.) eine Brennkammer (1),b.) einen innerhalb der Brennkammer (1) angeordneten Brenner (4);c.) ein erstes Reaktorrohr (2a) welches mindestens abschnittsweise innerhalb Brennkammer (1) angeordnet ist;d.) einen innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) angeordneten Katalysator (3);dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch beheizbares Heizelement (5) innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) angeordnet ist.The invention relates to a reformer for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture, at least comprising: a.) A combustion chamber (1), b.) A burner (4) arranged within the combustion chamber (1); c.) A first reactor tube (2a), which at least in sections is arranged inside the combustion chamber (1); d.) a catalyst (3) arranged inside the first reactor tube (2a); characterized in that an electrically heatable heating element (5) is arranged inside the first reactor tube (2a).

Description

Die Erfindung betrifft ein Reformer zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches, eine Anlage zur Ammoniaksynthese, Wasserstoffsynthese, Methanolsynthese und/oder als Ammoniaksynthese-Harnstoffsynthesekomplex, ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas und die Verwendung des erfindungsgemäßen Reformers zur Herstellung eines Synthesegasgemisches.The invention relates to a reformer for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture, a plant for ammonia synthesis, hydrogen synthesis, methanol synthesis and / or as ammonia synthesis-urea synthesis complex, a process for the production of synthesis gas and the use of the reformer according to the invention for the production of a synthesis gas mixture.

Ammoniak ist die weltweit zweitmeist produzierte synthetische Chemikalie (Ullmannn's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012, Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim, DOI:10.1002/14356007.o02_o11, im folgenden „Ullmann's“).Ammonia is the world's second most-produced synthetic chemical (Ullmannn's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2012, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, DOI: 10.1002 / 14356007.o02_o11, hereinafter referred to as "Ullmann's").

Die Herstellung von Ammoniak erfolgt dabei im Wesentlichen aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff und einen Eisenkatalysator. Die Temperaturen bewegen sich häufig im Bereich zwischen 400 °C und 500 °C und bei einem Druck über 100 bar. Der wesentliche Faktor für die Prozesskosten liegen dabei in der Bereitstellung von Wasserstoff aus der Synthesegas Herstellung (Ullmann's, Seite 139).Ammonia is mainly produced from the elements hydrogen and nitrogen and an iron catalyst. The temperatures often range between 400 ° C and 500 ° C and at a pressure above 100 bar. The main factor for the process costs is the supply of hydrogen from the synthesis gas production (Ullmann's, page 139 ).

Eine Erzeugung von Ammoniak erfolgt dementsprechend bevorzugt im Grundsatz wie beispielsweise bei Holleman, Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102 Auflage, 2007, Seiten 662-665 (ISBN 978-3-11-017770-1) beschrieben, basierend auf dem „Haber-Bosch-Verfahren“ aus den Elementen gemäß Gleichung [1]: 3 H2 + N2⇌ 2 NH3 + 92.28 kJ [1] Accordingly, ammonia is preferably generated in principle, for example in Holleman, Wiberg, textbook of inorganic chemistry, 102 Edition, 2007, pages 662-665 (ISBN 978-3-11-017770-1), based on the "Haber-Bosch method" from the elements according to equation [1]: 3 H 2 + N 2 ⇌ 2 NH 3 + 92.28 kJ [1]

Das Edukt Stickstoff (N2) kann beispielsweise durch Tieftemperaturluftzerlegung oder durch Reduktion von Sauerstoff in der Luft durch Verbrennung gewonnen werden. Der Wasserstoff wird bevorzugt über den „Steam-Reforming-Prozess“ gemäß Gleichung [2] erhalten: CnH2m + nH2O ⇌ (n+m) H2 + nCO [2] The educt nitrogen (N 2 ) can be obtained, for example, by low-temperature air separation or by reduction of oxygen in the air by combustion. The hydrogen is preferably obtained via the “steam reforming process” according to equation [2]: C n H 2 m + nH 2 O ⇌ (n + m) H 2 + nCO [2]

In der anschließenden „Kohlendioxid-Konvertierung“ erfolgt eine weitere Umsetzung gemäß Gleichung (3): CO + H2O ⇌ CO2 + H2 [3] In the subsequent "carbon dioxide conversion" there is a further conversion according to equation (3): CO + H 2 O ⇌ CO 2 + H 2 [3]

Das gemäß Gleichung [3] entstehende Kohlendioxid (CO2) dient bevorzugt als Kohlendioxidquelle zur Harnstoffsynthese gemäß den Gleichungen [4] und [5]. 2 NH3 + CO2 ⇌ H2N-COONH4 [4] H2N-COONH4 ⇌ (NH2)2CO + H2O [5] The carbon dioxide (CO 2 ) produced according to equation [3] preferably serves as a carbon dioxide source for urea synthesis according to equations [4] and [5]. 2 NH 3 + CO 2 ⇌ H 2 N-COONH 4 [4] H 2 N-COONH 4 ⇌ (NH 2 ) 2 CO + H 2 O [5]

Im Primärreformer wird in der endothermen Reformierungsreaktion Methan mit Hilfe von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid (sowie zum Teil CO2) gespalten. Es ist im Stand der Technik üblich, dass die notwendige Energie zur Erwärmung des Katalysators/Gas/Wasserdampf-Gemisches ausschließlich über die Reformerbrenner erfolgt. Die Reformerbrenner übertragen durch das Verbrennen des Luft/Erdgas Gemisches die Wärme mittels Wärmestrahlung an die Reformerrohraußenwände. Diese übertragen die Wärme anschließend mittels Wärmeleitung an den Katalysator und nachfolgend durch Konvektion an das /Gas/Wasserdampf- Gemisch. Erhebliche Nachteile des Systems sind die Kompromisse zwischen der maximal möglichen Wärmeeinbringung (Verschleiß Treiber) und der notwendigen Wärmeeinbringung. Eine zu geringe Wärmeeinbringung bewirkt, dass ein Teil des Wasser Erdgas Gemisches nicht katalytisch reagiert, den sogenannten „Methanschlupf“ .In the primary reformer, methane is split into hydrogen and carbon monoxide (and partly CO 2 ) in the endothermic reforming reaction using water vapor. It is customary in the prior art that the energy required for heating the catalyst / gas / steam mixture takes place exclusively via the reformer burners. By burning the air / natural gas mixture, the reformer burners transfer the heat to the outer walls of the reformer tube by means of thermal radiation. These then transfer the heat to the catalytic converter by means of heat conduction and subsequently to the / gas / water vapor mixture by convection. Significant disadvantages of the system are the compromises between the maximum possible heat input (wear driver) and the necessary heat input. Insufficient heat input means that part of the water-natural gas mixture does not react catalytically, the so-called “methane slip”.

In der Praxis ist der Anlagenbetreiber aber stets bestrebt, die Reformerbrenner unter Volllast laufen zu lassen, um möglichst viel Synthesegas zu produzieren. Diese Arbeitsweise kann wiederum die Lebensdauer der Reformerrohre erheblich reduzieren. Zudem ist das Katalysatorvolumen eines Reformerrohres durch den maximal möglichen Rohrinnendurchmesser der Reformerrohre sowie durch die Art und Quantität der einseitigen Wärmeeinbringung limitiert. Ein großer Rohrdurchmesser ermöglicht es, mehr Katalysator pro Reformerrohr unterzubringen, jedoch erreicht dann die vorhandene Wärme nicht mehr vollständig den inneren Katalysator nahe der Rohrachse.In practice, the plant operator always strives to run the reformer burners under full load in order to produce as much synthesis gas as possible. This way of working can in turn significantly reduce the life of the reformer tubes. In addition, the catalyst volume of a reformer tube is limited by the maximum possible tube inside diameter of the reformer tubes and by the type and quantity of the one-sided heat input. A large pipe diameter makes it possible to accommodate more catalyst per reformer pipe, but then the existing heat no longer completely reaches the inner catalyst near the pipe axis.

Das Erdgas wird zudem für zweierlei Zwecke verwendet. Es dient zum einen als Heizgas für den endothermen Dampfreformierungsprozess sowie zum anderen auch als Wasserstofflieferant für die Synthesegasherstellung. Langfristig ist dies problematisch, da fossile Brennstoffe endlich und mit steigenden Kosten verbunden sind. Erschwerend kommt hinzu, dass bei der Befeuerung des Primärreformers mit Erdgas CO2 und Stickoxide emittiert werden. Zukünftige Emissionsgrenzen können dann, sofern die Anlagen nicht über dezidierte Elemente zur Luftreinigung verfügen, was in den seltensten Fällen gegeben ist, zu einem Problem für Chemieanlagen werden. Diese Problematik ist daher mit zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten verbunden.Natural gas is also used for two purposes. It serves on the one hand as a heating gas for the endothermic steam reforming process and on the other hand as a hydrogen supplier for the synthesis gas production. In the long term, this is problematic because fossil fuels are finite and associated with rising costs. To make matters worse, when the primary reformer is fired with natural gas, CO 2 and nitrogen oxides are emitted. If the plants do not have dedicated elements for air purification, which is rarely the case, future emission limits can then become a problem for chemical plants. This problem is therefore associated with additional investment and operating costs.

EP 1 055 637 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Synthesegasstromes reich an Kohlenmonoxid und Wasserstoff, wobei ein Katalysator in einer porösen Trägerstruktur verwendet wird. EP 1 055 637 A1 discloses a process for producing a synthesis gas stream rich in carbon monoxide and hydrogen using a catalyst in a porous support structure.

EP 3 075 705 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anlage zur Dampfreformierung wobei zumindest ein Teil des Einsatzstromes außerhalb des ersten Dampfreformers zumindest zum Teil unter Einsatz elektrischer Energie erwärmt wird. EP 3 075 705 A1 discloses a method and a plant for steam reforming, wherein at least part of the feed stream is outside the first Steam reformer is at least partially heated using electrical energy.

EP 0 830 893 A1 offenbart einen Katalysatoreinsatz für die Reformierung kohlenwasserstoffhaltiger Dampfgemische. EP 0 830 893 A1 discloses a catalyst insert for the reforming of hydrocarbon-containing steam mixtures.

DE 10 2015 013 071 A1 offenbart einen Ofen zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstromes wobei an einem Rohrabschnitt ein Induktor zur induktiven Beheizung angebracht ist. DE 10 2015 013 071 A1 discloses a furnace for steam reforming a hydrocarbon-containing feed stream, an inductor for inductive heating being attached to a pipe section.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe einen Reformer bereitzustellen, welcher flexibel in Abhängigkeit des wechselnden Energieangebots beheizbar ist und gleichzeitig die Reformerkomponenten einer möglichst niedrigen Materialbelastung aussetzt.The object of the present invention is to provide a reformer which can be heated flexibly depending on the changing energy supply and at the same time exposes the reformer components to the lowest possible material load.

Die Aufgabe der Erfindung wird überraschenderweise durch einen Reformer zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.The object of the invention is surprisingly achieved by a reformer for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture according to claim 1. Further advantageous configurations can be found in the dependent claims.

Die Erfindung umfasst außerdem eine Anlage zur Ammoniaksynthese, Wasserstoffsynthese, Methanolsynthese und/oder als Ammoniaksynthese-Harnstoffsynthesekomplex.The invention also includes a plant for ammonia synthesis, hydrogen synthesis, methanol synthesis and / or as an ammonia synthesis-urea synthesis complex.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.The invention further comprises a method for producing synthesis gas. Further advantageous refinements can be found in the respective dependent claims.

Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines Synthesegasgemisches in der Ammoniak-Synthese.The invention further comprises the use of the plant according to the invention for the production of a synthesis gas mixture in ammonia synthesis.

Der erfindungsgemäße Reformer zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches umfasst mindestens die folgenden Komponenten. The reformer according to the invention for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture comprises at least the following components.

Der Grundsätzliche Aufbau eines Reformers zur Bereitstellung von Wasserstoff, bevorzugt ein Primär- und ein Sekundärreformer und/oder eines autothermer Reformer, ist dabei dem Fachmann bekannt. Die Bildung von Wasserstoff erfolgt dabei im Grundsatz nach obiger Gleichung [2] CnH2m + nH2O ⇌ (n+m) H2 + nCO [2] The basic structure of a reformer for providing hydrogen, preferably a primary and a secondary reformer and / or an autothermal reformer, is known to the person skilled in the art. The formation of hydrogen takes place in principle according to the above equation [2] C n H 2 m + nH 2 O ⇌ (n + m) H 2 + nCO [2]

Eine Darstellung zur Funktionsweise des Reformers findet sich beispielsweise in Ullmann's, Kapitel 6.1.1, Seiten 174 bis 179. Der Reformer umfasst eine Brennkammer und mindestens einen innerhalb der Brennkammer angeordneten Brenner. Ein erstes Reaktorrohr ist mindestens abschnittsweise innerhalb Brennkammer angeordnet. Der Ausdruck „mindestens abschnittsweise“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass zumindest ein Teil oder der ganze Teil des ersten Reaktorrohrs innerhalb der Brennkammer verläuft. Im Regelfall passiert nur ein Teilabschnitt des ersten Reaktorrohres die Brennkammer, d.h. das erste Reaktorrohr wird in die Brennkammer hineingeführt und anschließend aus der Brennkammer hinausgeführt. Innerhalb des ersten Reaktorrohrs ist ein Katalysator, beispielsweise auf Basis von Nickel Oxid auf einem Trägermaterial, angeordnet. Der erfindungsgemäße Reformer ist dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch beheizbares Heizelement innerhalb des ersten Reaktorrohrs angeordnet ist. Die Reformerrohre stehen unter einem inneren Überdruck. Da die Zugfestigkeit von Stahl mit zunehmender Außenwandtemperatur des Rohres stark abnimmt, gibt es eine Obergrenze für die Wärmestromdichte an der Außen- und Innenwand des Rohres. Wird diese Obergrenze überschritten, so sinkt die Lebensdauer des Rohres rasch ab. Durch das erfindungsgemäß zusätzliche innere elektrisch beheizbares Heizelement kann die Einschränkung hinsichtlich der Innenwand- und Außenwanddurchmesser aufgehoben werden, die Stand heute, limitiert durch die maximal mögliche Wärmeeinbringung ist und stets unter der Berücksichtigung von Druck/Temperatur/Verschleiß ausgelegt werden muss. Die Erfindung ermöglicht daher ein verbessertes Temperaturprofil über den Querschnitt der Katalysatorschüttung. Der Katalysator wird also besser ausgenutzt und verringert somit den Methanschlupf bei einer geringeren äußeren thermischen Belastung der Reformerrohre.A description of how the reformer works can be found, for example, in Ullmann's, chapter 6.1.1 , Pages 174 to 179 , The reformer comprises a combustion chamber and at least one burner arranged within the combustion chamber. A first reactor tube is arranged at least in sections within the combustion chamber. For the purposes of the invention, the expression “at least in sections” means that at least part or all of the first reactor tube runs inside the combustion chamber. As a rule, only a partial section of the first reactor tube passes the combustion chamber, ie the first reactor tube is led into the combustion chamber and then led out of the combustion chamber. A catalyst, for example based on nickel oxide on a support material, is arranged within the first reactor tube. The reformer according to the invention is characterized in that an electrically heatable heating element is arranged within the first reactor tube. The reformer tubes are under an internal overpressure. Since the tensile strength of steel decreases sharply with increasing outside wall temperature of the pipe, there is an upper limit for the heat flow density on the outside and inside wall of the pipe. If this upper limit is exceeded, the service life of the pipe will decrease rapidly. The additional inner, electrically heated heating element according to the invention can be used to remove the restriction with regard to the inner wall and outer wall diameters, which are limited today by the maximum possible heat input and must always be designed taking pressure / temperature / wear into account. The invention therefore enables an improved temperature profile over the cross section of the catalyst bed. The catalyst is thus better utilized and thus reduces the methane slip with a lower external thermal load on the reformer tubes.

Bevorzugt ist zusätzlich ein zweites Reaktorrohr mit einen innerhalb des zweiten Reaktorrohrs angeordneten Katalysator ohne ein wie voranstehend beschriebenes elektrisch beheizbares Heizelement vorgesehen. Die Erfindung umfasst somit auch die Kombination aus ersten Reaktorrohren mit elektrischen Heizelementen und zweiten Reaktorrohren ohne elektrische Heizelementen. Preferably, a second reactor tube with a catalyst arranged inside the second reactor tube is also provided without an electrically heatable heating element as described above. The invention thus also includes the combination of first reactor tubes with electrical heating elements and second reactor tubes without electrical heating elements.

Das elektrisch beheizbare Heizelement umfasst bevorzugt ein induktiv beheizbares Heizelement. Der Ausdruck „induktiv beheizbar“ umfasst bevorzugt im Sinne der Erfindung „das Heizen elektrisch leitfähiger Materialien durch induzierte hochfrequente Ströme innerhalb des Materials“ (Dictionary of Science and Technology, edt. Christopher Morres, 1992, S. 1101, ISBN: 0-12-200400-0). Besonders bevorzugt weist das induktiv beheizbares Heizelement mindestens ein Heizrohr (beispielsweise enthaltend Keramiken, Glas und/oder Metalle) und einen zumindest abschnittsweise um das Heizrohr (6) gewickelten metallischen Draht und/oder eine metallische Beschichtung (7b), besonders bevorzugt in Form von spulenförmigen Leiterbahnen, auf. Der metallische Draht und/oder die metallische Beschichtung sind bevorzugt mit einer elektrischen Wechselstromquelle verbunden.The electrically heatable heating element preferably comprises an inductively heatable heating element. In the context of the invention, the expression “inductively heatable” preferably includes “the heating of electrically conductive materials by means of induced high-frequency currents within the material” (Dictionary of Science and Technology, ed. Christopher Morres, 1992, p. 1101, ISBN: 0-12- 200400-0). The inductively heatable heating element particularly preferably has at least one heating tube (for example containing ceramics, glass and / or metals) and one at least in sections around the heating tube ( 6 ) wound metallic wire and / or a metallic coating ( 7b ), particularly preferably in the form of coil-shaped conductor tracks. The metallic wire and / or the metallic coating are preferably connected to an electrical AC power source.

Bevorzugt weist das Heizrohr eine zumindest abschnittsweise metallische Oberfläche auf. Die metallische Oberfläche verbessert die Wärmeleitung vom Heizrohr in das Katalysatorbett des ersten Reaktorrohrs.The heating tube preferably has an at least sectionally metallic surface. The metallic surface improves the heat conduction from the heating tube into the catalyst bed of the first reactor tube.

Insbesondere bevorzugt liegt der metallische (elektrisch leitfähige) Draht über Einkerbungen auf dem Heizrohr an. Die Einkerbungen verbessern die Befestigung, „Haftung“ des metallischen Drahtes an dem Heizrohr.The metallic (electrically conductive) wire is particularly preferably in contact with the heating tube via notches. The notches improve the attachment, "adhesion" of the metallic wire to the heating tube.

Bevorzugt liegt das Verhältnis vom Durchmesser des ersten Reaktorrohres ∅2a zum Durchmesser des Heizrohres ∅6 ausgedrückt als ∅2a/∅6, bei 100 bis 2, bevorzugt 10 bis 5.The ratio of the diameter of the first reactor tube ∅ 2a to the diameter of the heating tube ∅ 6, expressed as ∅ 2a / ∅ 6 , is preferably 100 to 2, preferably 10 to 5.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der metallische Draht und/oder die metallischen Oberfläche und/oder die metallische Beschichtung Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Chrom, sowie als auch Halbmetalle wie Graphit, Silizium und keramische Beschichtungen.In a preferred embodiment, the metallic wire and / or the metallic surface and / or the metallic coating comprises iron, cobalt, nickel, copper, silver, chromium, and also semi-metals such as graphite, silicon and ceramic coatings.

Der metallischen Draht und/oder die metallische Beschichtung sind bevorzugt mit einer elektrischen Wechselstromquelle verbunden.The metallic wire and / or the metallic coating are preferably connected to an electrical alternating current source.

Bevorzugt umfasst das elektrische Heizelement ein elektrisches Widerstandsheizelement. Dieses umfasst bevorzugt einen Ohm'schen Widerstand und kann beispielsweise in Form eines Metalldrahtes oder Metallplatte ausgeführt sein. Der elektrische Widerstand kann sowohl an eine Wechselstromquelle als auch an eine Gleichstromquelle angeschlossen sein. Die beim Stromfluss durch den elektrischen Widerstand freiwerdende Wärme wird zur Erwärmung des elektrischen Widerstandsheizelement sowie des umgegebenen Katalysatorbettes genutzt. Durch das erfindungsgemäß zusätzliche innere elektrisch beheizbares Heizelement kann die Einschränkung hinsichtlich der Innenwand- und Außenwanddurchmesser aufgehoben werden, die Stand heute, limitiert durch die maximal mögliche Wärmeeinbringung ist und stets unter der Berücksichtigung von Druck/Temperatur/Verschleiß ausgelegt werden muss. Die Erfindung ermöglicht daher ein verbessertes Temperaturprofil über den Querschnitt der Katalysatorschüttung. Der Katalysator wird also besser ausgenutzt und verringert somit den Methanschlupf bei einer geringeren äußeren thermischen Belastung der Reformerrohre.The electrical heating element preferably comprises an electrical resistance heating element. This preferably comprises an ohmic resistance and can be designed, for example, in the form of a metal wire or metal plate. The electrical resistance can be connected to both an AC power source and a DC power source. The heat released when the current flows through the electrical resistance is used to heat the electrical resistance heating element and the surrounding catalyst bed. The additional inner, electrically heatable heating element according to the invention can be used to remove the restriction with regard to the inner wall and outer wall diameters, which is limited today by the maximum possible heat input and must always be designed taking pressure / temperature / wear into account. The invention therefore enables an improved temperature profile over the cross section of the catalyst bed. The catalyst is thus better utilized and thus reduces methane slip with less external thermal stress on the reformer tubes.

Besonders bevorzugt umfasst das elektrische Widerstandsheizelement einen elektrischen Heizwiderstand und einen Heizmantel. Der elektrische Heizwiderstand umfasst bevorzugt metallische Leiter. Die Wärmeabgabe erfolgt dabei entsprechend dem materialspezifischen Widerstand. Der elektrische Heizwiderstand, beispielsweise in Form einer Metallplatte oder einer metallbeschichteten Keramikplatte, ist von einem Heizmantel umgegeben. Der Heizmantel, beispielsweise umfassend geeignete keramische Materialien, verhindert einen direkten Kontakt mit dem Katalysatorbett und das Auftreten von „hot-spots“ am Katalysator. Der Ausdruck „geeignete keramische Materialien“ umfasst bevorzugt dem Fachmann bekannte keramische Materialien oder Materialgemische mit keramischen Anteilen, welche bei den Betriebstemperaturen des Reformers stabil sind oder nur einen geringen Materialverschleiß haben. Beispielhafte Keramiken können Al2O3, MgO, ZrO2, Aluminiumtitanate, Silicide, Carbide, Nitride, usw. enthalten.The electrical resistance heating element particularly preferably comprises an electrical heating resistor and a heating jacket. The electrical heating resistor preferably comprises metallic conductors. The heat is given off according to the material-specific resistance. The electrical heating resistor, for example in the form of a metal plate or a metal-coated ceramic plate, is surrounded by a heating jacket. The heating jacket, for example, comprising suitable ceramic materials, prevents direct contact with the catalyst bed and the occurrence of “hot spots” on the catalyst. The expression “suitable ceramic materials” preferably includes ceramic materials or material mixtures with ceramic components which are known to the person skilled in the art and which are stable at the operating temperatures of the reformer or have only slight material wear. Exemplary ceramics can contain Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 , aluminum titanates, silicides, carbides, nitrides, etc.

Bevorzugt umfasst der Katalysator einen ferromagnetischen Katalysator, bevorzugt Eisen, Kobalt, Nickel und/oder Verbindungen und/oder Gemische davon. Die Verwendung eines ferromagnetischen Katalysators ermöglicht eine direkte Erwärmung und somit bessere Temperaturverteilung des Katalysators im Heizrohr und dem darin erzeugten elektromagnetischen Induktionsfeldes.The catalyst preferably comprises a ferromagnetic catalyst, preferably iron, cobalt, nickel and / or compounds and / or mixtures thereof. The use of a ferromagnetic catalyst enables direct heating and thus better temperature distribution of the catalyst in the heating tube and the electromagnetic induction field generated therein.

Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Anlage zur Ammoniaksynthese, Wasserstoffsynthese, Methanolsynthese und/oder als Ammoniaksynthese-Harnstoffsynthesekomplex umfassend einen wie voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Reformer.The invention further comprises a plant for ammonia synthesis, hydrogen synthesis, methanol synthesis and / or as an ammonia synthesis-urea synthesis complex comprising a reformer according to the invention as described above.

Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mindestens umfassend die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt a) wird ein kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsgemisches, insbesondere Erdgas, und Wasserdampf bereitgestellt. In einen folgenden Schritt b) wird ein wie voranstehend beschriebener Reformer mit dem bereitgestellten kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsgemisches und Wasserdampf beaufschlagt. Die grundsätzlichen Prozessbedingungen finden sich beispielsweise bei in Ullmann's, Kapitel 6.1.1, Seiten 174 bis 179. Anschließend wird in Schritt c) ein Synthesegasgemisch, bevorzugt ein Synthesegasgemisch umfassend die Komponenten nach Gleichung [2], erhalten. Das Verfahren eignet sich zur Anwendung in Anlagen zur Ammoniaksynthese, Wasserstoffsynthese, Methanolsynthese und in Ammoniak-Harnstoffsynthesekomplexen (d.h. kombinierte Anlagen zur Synthese von sowohl Ammoniak und optional Kohlendioxid sowie zur Synthese von Harnstoff aus Ammoniak und Kohlendioxid).Furthermore, the invention comprises a method for producing synthesis gas at least comprising the following steps. In a first step a), a hydrocarbon-containing starting mixture, in particular natural gas, and water vapor are provided. In a subsequent step b), a reformer as described above is charged with the hydrocarbon-containing starting mixture and water vapor provided. The basic process conditions can be found, for example, in Ullmann's, chapter 6.1.1, pages 174 to 179. A synthesis gas mixture, preferably a synthesis gas mixture comprising the components according to equation [2], is then obtained in step c). The process is suitable for use in plants for ammonia synthesis, hydrogen synthesis, methanol synthesis and in ammonia-urea synthesis complexes (i.e. combined plants for the synthesis of both ammonia and optionally carbon dioxide and for the synthesis of urea from ammonia and carbon dioxide).

Bevorzugt erfolgt das Beaufschlagen in Schritt b) bei einer Temperatur von 300 °C bis 700°C und einem Druck von 20 Bar bis 50 bar.The application in step b) is preferably carried out at a temperature of 300 ° C. to 700 ° C. and a pressure of 20 bar to 50 bar.

Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des erfindungsgemäßen Reformers zur Herstellung eines Synthesegasgemisches. The invention further comprises the use of the reformer according to the invention for the production of a synthesis gas mixture.

Des Weiteren wird die Erfindung anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren beschränken dabei nicht den Schutzumfang der Erfindung, sondern dienen nur der beispielhaften Erläuterung. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu.Furthermore, the invention is explained in more detail with reference to the following figures. The figures do not limit the scope of protection of the invention, but only serve as an example. The figures are not to scale.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Reformers zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches,
  • 2 eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen ersten Reaktorrohrs,
  • 3 einen vergrößerten Ausschnitt des ersten Reaktorrohrs,
  • 4 einen vergrößerten Ausschnitt des elektrisches Widerstandsheizelements und
  • 5 eine schematische Zeichnung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ersten Reaktorrohrs.
Show it:
  • 1 1 shows a schematic drawing of the reformer according to the invention for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture,
  • 2 1 shows a schematic drawing of the first reactor tube according to the invention,
  • 3 an enlarged section of the first reactor tube,
  • 4 an enlarged section of the electrical resistance heating element and
  • 5 is a schematic drawing of a further embodiment of the first reactor tube according to the invention.

1 zeigt eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen Reformers zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches. Der Reformer umfasst eine Brennkammer (1) und innerhalb der Brennkammer angeordnete Brenner (4). Ein erstes Reaktorrohr (2a) ist mindestens abschnittsweise innerhalb der Brennkammer (1) angeordnet. Der Ausdruck „mindestens abschnittsweise“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass zumindest ein Teil oder der ganze Teil des ersten Reaktorrohrs innerhalb der Brennkammer (1) verläuft. Innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) ist ein nicht gezeigter Katalysator (3) angeordnet. Zudem ist ein elektrisch induktiv beheizbares Heizelement (5a) innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) angeordnet. Des Weiteren können zusätzlich zweite Reaktorrohre (2b) mit nicht gezeigten Katalysator (3) vorgesehen sein, welche beispielsweise aus Kostengründen oder zur Temperaturkontrolle kein induktiv beheizbares Heizelement (5a) beinhalten. 1 shows a schematic drawing of the reformer according to the invention for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture. The reformer includes a combustion chamber ( 1 ) and burners arranged inside the combustion chamber ( 4 ). A first reactor tube ( 2a ) is at least in sections within the combustion chamber ( 1 ) arranged. For the purposes of the invention, the expression “at least in sections” means that at least part or all of the first reactor tube within the combustion chamber ( 1 ) runs. Within the first reactor tube ( 2a ) is a catalyst, not shown ( 3 ) arranged. In addition, an electrically inductively heated heating element ( 5a ) inside the first reactor tube ( 2a ) arranged. Furthermore, second reactor tubes ( 2 B ) with catalyst not shown ( 3 ) can be provided which, for example for cost reasons or for temperature control, does not have an inductively heated heating element ( 5a ) include.

2 zeigt eine schematische Zeichnung des erfindungsgemäßen ersten Reaktorrohrs (2a). Innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) befindet sich ein Katalysator (3) und ein induktiv beheizbares Heizelement (5a). Das induktiv beheizbare Heizelement (5a) umfasst ein Heizrohr (6), einen zumindest abschnittsweise um das Heizrohr (6) spulenförmig gewickelten metallischen Draht (7a) (oder metallische Beschichtung (7b)) und kann ebenfalls mit dem Katalysator (3) befüllt sein. Grundsätzlich können die Katalysatoren (3) innerhalb des induktiv beheizbaren Heizelements (5a) und innerhalb des Zwischenraumes zwischen dem induktiv beheizbaren Heizelements (5a) und dem Innenraum des ersten Reaktorrohrs (2a) identisch oder auch verschieden sein. Der spulenförmig um das Heizrohr (6) gewickelten metallischen Draht (7a) ist mit einer nicht gezeigten Wechselstromquelle verbunden. Die Erwärmung des Heizrohres (6) über den gewickelten metallischen Draht (7a) ermöglicht eine Erwärmung des ersten Reaktorrohrs (2a) von innen und senkt somit die Materialspannungen durch den gleichzeitigen Wärmeeintrag der Brenner (4). Eine kohlenwasserstoffhaltiges Ausgangsgemisches (9) und Wasserdampf (10) treten in das erste Reaktorrohr (2a) ein und verlassen das erste Reaktorrohr (2a) als Synthesegasgemisch (11). 2 shows a schematic drawing of the first reactor tube according to the invention ( 2a ). Within the first reactor tube ( 2a ) there is a catalyst ( 3 ) and an inductively heated heating element ( 5a ). The inductively heatable heating element (5a) comprises a heating tube ( 6 ), at least in sections around the heating pipe ( 6 ) coil-wound metallic wire ( 7a ) (or metallic coating ( 7b )) and can also be used with the catalyst ( 3 ) be filled. In principle, the catalysts ( 3 ) inside the inductively heated heating element ( 5a ) and within the space between the inductively heated heating element ( 5a ) and the interior of the first reactor tube ( 2a ) be identical or different. The coil-shaped around the heating pipe ( 6 ) coiled metallic wire ( 7a ) is connected to an AC power source, not shown. The heating of the heating pipe ( 6 ) over the wound metallic wire ( 7a ) enables the first reactor tube to be heated ( 2a ) from the inside and thus lowers the material tension due to the simultaneous heat input of the burners ( 4 ). A hydrocarbonaceous feedstock ( 9) and water vapor (10) enter the first reactor tube ( 2a ) and leave the first reactor tube ( 2a ) as a synthesis gas mixture ( 11 ).

3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des ersten Reaktorrohrs (2a). Das Heizrohr (6) ist (optional) mit Katalysator (3) gefüllt und weist zumindest abschnittsweise zur besseren Wärmeleitung eine (wärmeleitende) metallische Beschichtung (7c) auf. Der spulenförmig um das Heizrohr (6) gewickelten metallischen Draht (7a) ist mit einer nicht gezeigten Wechselstromquelle verbunden. Einkerbungen(8) im Heizrohr (6) verbessern den Halt des metallischen Drahtes (7a) auf der Oberfläche des Heizrohres, zusätzlich ist hierdurch eine plane Oberfläche (8a) geschaffen, die eine verbesserte Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung ermöglicht. 3 shows an enlarged section of the first reactor tube ( 2a ). The heating pipe ( 6 ) is (optional) with catalyst ( 3 ) filled and has a (heat-conducting) metallic coating (at least in sections) for better heat conduction ( 7c ) on. The coil-shaped around the heating pipe ( 6 ) coiled metallic wire ( 7a ) is connected to an AC power source, not shown. notches ( 8th ) in the heating pipe ( 6 ) improve the hold of the metallic wire ( 7a ) on the surface of the heating pipe, this also creates a flat surface ( 8a ) created, which enables an improved heat transfer by means of heat conduction.

4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des elektrischen Widerstandsheizelements (5b). Das elektrische Widerstandsheizelement (5b) umfasst einen elektrischen Heizwiderstand (13) und einen Heizmantel (12). Der elektrische Heizwiderstand (13) kann mit einer Gleichstromquelle (angedeutet durch + -) oder einer nicht gezeigten Wechselstromquelle elektrisch verbunden sein. 4 shows an enlarged section of the electrical resistance heating element ( 5b ). The electrical resistance heating element ( 5b ) includes an electrical heating resistor ( 13 ) and a heating jacket ( 12 ). The electrical heating resistor ( 13 ) can be electrically connected to a DC power source (indicated by + -) or an AC power source, not shown.

5 zeigt eine schematische Zeichnung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ersten Reaktorrohrs (2a). Innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) ist ein Katalysator (3) angeordnet. Das in 4 gezeigte elektrische Widerstandsheizelement (5b) ist innerhalb des Katalysators (3) angeordnet und ermöglicht eine gleichmäßigere Erwärmung des Katalysators (3) und verringert die innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) auftretender Materialspannungen. Das elektrische Widerstandsheizelement (5b) kann wie in 5 gezeigt als jeweils separate Elemente oder auch als verbundene, in Reihe oder parallel geschaltete, Summe von jeweils einzelnen elektrische Widerstandsheizelement (5b1+5b2+5b3+...) ausgebildet sein. 5 shows a schematic drawing of a further embodiment of the first reactor tube according to the invention ( 2a ). Within the first reactor tube ( 2a ) is a catalyst ( 3 ) arranged. This in 4 shown electrical resistance heating element ( 5b ) is inside the catalyst ( 3 ) arranged and enables a more uniform heating of the catalyst ( 3 ) and reduces that within the first reactor tube ( 2a ) occurring material stresses. The electrical resistance heating element ( 5b ) can as in 5 shown as separate elements or as connected, connected in series or in parallel, sum of individual electrical resistance heating elements (5b1 + 5b2 + 5b3 + ...).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

(1)(1)
Brennkammercombustion chamber
(2a)(2a)
erstes Reaktorrohrfirst reactor tube
(2b)(2 B)
zweites Reaktorrohrsecond reactor tube
(3) (3)
Katalysatorcatalyst
(4)(4)
Brennerburner
(5)(5)
elektrisch beheizbares Heizelementelectrically heated heating element
(5a)(5a)
induktiv beheizbares Heizelementinductively heated heating element
(5b)(5b)
elektrisches Widerstandsheizelementelectrical resistance heating element
(6)(6)
Heizrohrheating pipe
(7a)(7a)
metallischer Drahtmetallic wire
(7b)(7b)
metallische Beschichtungmetallic coating
(8)(8th)
Einkerbungennotches
(8a)(8a)
Kontaktflächecontact area
(9)(9)
kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsgemischhydrocarbon-containing starting mixture
(10)(10)
WasserdampfSteam
(11)(11)
SynthesegasgemischSynthesis gas mixture
(12)(12)
Heizmantelheating jacket
(13)(13)
elektrischer Heizwiderstandelectrical heating resistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 1055637 A1 [0011]EP 1055637 A1 [0011]
  • EP 3075705 A1 [0012]EP 3075705 A1 [0012]
  • EP 0830893 A1 [0013]EP 0830893 A1 [0013]
  • DE 102015013071 A1 [0014]DE 102015013071 A1 [0014]

Claims (18)

Reformer zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches mindestens umfassend: a.) eine Brennkammer (1), b.) einen innerhalb der Brennkammer (1) angeordneten Brenner (4); c.) ein erstes Reaktorrohr (2a) welches mindestens abschnittsweise innerhalb Brennkammer (1) angeordnet ist; d.) einen innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) angeordneten Katalysator (3); dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch beheizbares Heizelement (5) innerhalb des ersten Reaktorrohrs (2a) angeordnet ist.Reformer for steam reforming a hydrocarbon-containing mixture at least comprising: a.) A combustion chamber (1), b.) A burner (4) arranged within the combustion chamber (1); c.) a first reactor tube (2a) which is arranged at least in sections within the combustion chamber (1); d.) a catalyst (3) arranged inside the first reactor tube (2a); characterized in that an electrically heatable heating element (5) is arranged within the first reactor tube (2a). Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Reaktorrohr (2b) mit einen innerhalb des zweiten Reaktorrohrs (2b) angeordneten Katalysator (3) ohne ein elektrisch beheizbares Heizelement (5) innerhalb des zweiten Reaktorrohrs (2b), angeordnet ist.Reformers after Claim 1 , characterized in that a second reactor tube (2b) with a catalyst (3) arranged inside the second reactor tube (2b) without an electrically heatable heating element (5) is arranged inside the second reactor tube (2b). Reformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch beheizbare Heizelement (5) ein induktiv beheizbares Heizelement (5a) umfasst.Reformers after Claim 1 or 2 , characterized in that the electrically heated heating element (5) comprises an inductively heated heating element (5a). Reformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das induktiv beheizbares Heizelement (5a) mindestens ein Heizrohr (6) und einen zumindest abschnittsweise um das Heizrohr (6) gewickelten metallischen Draht (7a) oder eine metallische Beschichtung (7b), bevorzugt in Form von spulenförmigen Leiterbahnen, aufweist.Reformers after Claim 3 , characterized in that the inductively heatable heating element (5a) has at least one heating tube (6) and a metallic wire (7a) or a metallic coating (7b), preferably in the form of coil-shaped conductor tracks, wound at least in sections around the heating tube (6) , Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr (6) eine zumindest abschnittsweise metallischen Oberfläche (7c) aufweist.Reformers after Claim 4 , characterized in that the heating tube (6) has an at least sectionally metallic surface (7c). Reformer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische (elektrisch leitfähigen) Draht (7a) über Einkerbungen (8) auf dem Heizrohr (6) anliegt.Reformers after Claim 4 or 5 , characterized in that the metallic (electrically conductive) wire (7a) rests on the heating tube (6) via notches (8). Reformer nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizrohr (6) mit dem Katalysator (3) oder einem von dem Katalysator (3) verschiedenen zweiten Katalysator gefüllt ist.Reformers after one of the Claims 3 to 6 , characterized in that the heating tube (6) is filled with the catalyst (3) or a second catalyst different from the catalyst (3). Reformer nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (3) innerhalb des ersten Reaktorrohr (2a) und innerhalb des Heizrohres (6) angeordnet ist.Reformers after one of the Claims 3 to 7 , characterized in that the catalyst (3) is arranged inside the first reactor tube (2a) and inside the heating tube (6). Reformer nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Durchmesser des ersten Reaktorrohres (2a) ∅2a zum Durchmesser des Heizrohres (6) ∅6 ausgedrückt als ∅2a/∅6 bei 100 bis 2, bevorzugt 10 bis 5 liegt.Reformers after one of the Claims 3 to 8th , characterized in that the ratio of the diameter of the first reactor tube (2a) ∅ 2a to the diameter of the heating tube (6) ∅ 6 expressed as ∅ 2a / ∅ 6 is 100 to 2, preferably 10 to 5. Reformer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Draht (7a) und/oder die metallischen Oberfläche (7c) und/oder die metallische Beschichtung (7b) Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Chrom umfassen.Reformers after one of the Claims 3 to 9 , characterized in that the metallic wire (7a) and / or the metallic surface (7c) and / or the metallic coating (7b) comprise iron, cobalt, nickel, copper, silver, chromium. Reformer nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der metallischen Draht (7a) und/oder die metallische Beschichtung (7b) mit einer elektrischen Wechselstromquelle verbunden sind.Reformers after one of the Claims 3 to 10 , characterized in that the metallic wire (7a) and / or the metallic coating (7b) are connected to an electrical alternating current source. Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (5) ein elektrisches Widerstandsheizelement (5b) umfasst.Reformers after one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the electrical heating element (5) comprises an electrical resistance heating element (5b). Reformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandsheizelement (5b) einen elektrischen Heizwiderstand (13) und einen Heizmantel (12) umfasst.Reformers after Claim 12 , characterized in that the electrical resistance heating element (5b) comprises an electrical heating resistor (13) and a heating jacket (12). Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (3) einen ferromagnetischen Katalysator, bevorzugt Eisen, Kobalt, Nickel und/oder Verbindungen und/oder Gemische davon umfasst.Reformers after one of the Claims 1 to 13 , characterized in that the catalyst (3) comprises a ferromagnetic catalyst, preferably iron, cobalt, nickel and / or compounds and / or mixtures thereof. Anlage zur Ammoniaksynthese, Wasserstoffsynthese, Methanolsynthese und/oder als Ammoniaksynthese-Harnstoffsynthesekomplex umfassend einen Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 14.Plant for ammonia synthesis, hydrogen synthesis, methanol synthesis and / or as ammonia synthesis-urea synthesis complex comprising a reformer according to one of the Claims 1 to 14 , Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mindestens umfassend die Schritte: a.) Bereitstellen eines kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsgemisches (9) und von Wasserdampf (10) b.) Beaufschlagen eines Reformers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 mit dem bereitgestellten kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsgemisches (9) und von Wasserdampf (10); und c.) Erhalten eines Synthesegasgemisches (11).A process for producing synthesis gas at least comprising the steps: a.) Providing a hydrocarbon-containing starting mixture (9) and water vapor (10) b.) Applying a reformer according to one or more of the Claims 1 to 14 with the provided hydrocarbon-containing starting mixture (9) and water vapor (10); and c.) obtaining a synthesis gas mixture (11). Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Beaufschlagen in Schritt b) bei einer Temperatur von 300 °C bis 700 °C und einem Druck von 20 Bar bis 50 bar erfolgt.Procedure according to Claim 16 , characterized in that the application in step b) takes place at a temperature of 300 ° C to 700 ° C and a pressure of 20 bar to 50 bar. Verwendung eines Reformers nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung eines Synthesegasgemisches.Use of a reformer according to one of the Claims 1 to 14 for the production of a synthesis gas mixture.
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