DE1123074B - Steam reforming process for hydrocarbons - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft die Dampf-Reformierung von Kohlenwasserstoffen.The invention relates to the steam reforming of hydrocarbons.
Bei erhöhten Temperaturen, bei atmosphärischem oder höherem Druck und in Gegenwart eines Katalysators reagieren Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf unter Bildung eines aus Wasserstoff, Kohlenoxyden und Methan bestehenden Gases, wobei die Zusammensetzung des Gases von den Bedingungen abhängt, unter denen die Umsetzung durchgeführt wird. Ein derartiges Verfahren findet in der Industrie viele Anwendungen, beispielsweise die Herstellung von Methanolsynthesegas aus einer Erdöldestillationsfraktion, und ist als Dampf-Reformierung von Kohlenwasserstoffen allgemein bekannt. Das Verfahren wird gewöhnlich oberhalb 600° C durchgeführt, wobei Nickel ein geeigneter Katalysator ist.At elevated temperatures, at atmospheric or higher pressure and in the presence of a catalyst Hydrocarbons react with water vapor to form one of hydrogen, carbon oxides and methane existing gas, the composition of the gas depending on the conditions depends under which the implementation is carried out. Such a process takes place in industry many applications, for example the production of methanol synthesis gas from a petroleum distillation fraction, and is commonly known as steam reforming of hydrocarbons. The procedure is usually carried out above 600 ° C, with nickel being a suitable catalyst.
Aus Erdöl stammende Kohlenwasserstoffe enthalten ausnahmslos schwefelhaltige Verunreinigungen. Die Verwendung solcher unreiner Kohlenwasserstoffe bei einem Dampf-Reformierung-Verfahren würde zur Vergiftung des Katalysators führen; deshalb werden Erdölfraktionen vor ihrer Verwendung für die Dampf-Reformierung im wesentlichen vollständig entschwefelt.All hydrocarbons derived from petroleum contain sulphurous impurities. The use of such impure hydrocarbons in a steam reforming process would poison the catalyst; therefore, petroleum fractions are used before they are used substantially completely desulfurized for steam reforming.
Die Beziehungen zwischen dem Wasserdampf und den Bestandteilen des durch Dampf-Reformierung von Kohlenwasserstoffen hergestellten Gemisches aus Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Methan werden nach den chemischen Gleichgewichten zwischen ihnen bestimmt, d. h. der Verschiebung des WassergasgleichsgewichtesThe relationships between the water vapor and the constituents of the reformed steam Mixture of carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen and produced by hydrocarbons Methane are determined according to the chemical equilibria between them; H. the shift of the water gas equilibrium
Dampf - Ref ormierungs -Verfahren
für KohlenwasserstoffeSteam reforming process
for hydrocarbons
Anmelder:Applicant:
Imperial Chemical Industries Limited,
LondonImperial Chemical Industries Limited,
London
Vertreter: Dr.-Ing. H. Fincke,Representative: Dr.-Ing. H. Fincke,
Berlin-Lichterfelde, Drakestr. 51,Berlin-Lichterfelde, Drakestr. 51,
Dipl.-Ing. H. Bohr und Dipl.-Ing. S. Staeger,Dipl.-Ing. H. Bohr and Dipl.-Ing. S. Staeger,
München 5, PatentanwälteMunich 5, patent attorneys
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 27. August 1959 und 21. Juli 1960Claimed priority:
Great Britain August 27, 1959 and July 21, 1960
Thomas James Perret Pearce,Thomas James Perret Pearce,
Norton-on-Tees, Durham (Großbritannien),Norton-on-Tees, Durham (Great Britain),
ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor
COCO
CO2+ H2 CO 2 + H 2
und des Methanwasserdampfgleichgewichtesand the methane water vapor equilibrium
CH4 CH 4
H2O=^CO+ 3H2 H 2 O = ^ CO + 3H 2
Die gewöhnlich für die Dampf-Reformierung benutzten, auf Träger aufgebrachten Nickelkatalysatoren können in naher Anlehnung an diese beiden Gleichgewichte reagieren.The supported nickel catalysts commonly used for steam reforming can react closely following these two equilibria.
Wenn die Menge des vorhandenen Wasserdampfes niedrig genug ist, kann die Reaktion sich zwei weiteren Gleichgewichten annähern, nämlichIf the amount of water vapor present is low enough, the reaction can turn into two more Approximate equilibria, viz
2CO=*=CO2 + C
CH4 ^ 2H2+ C2CO = * = CO 2 + C
CH 4 ^ 2H 2 + C
Diese beiden Umsetzungen führen zur Bildung von Kohlenstoff. Die Anwesenheit von Kohlenstoff ist nicht nur in dem hergestellten Gas unerwünscht, sondern seine Abscheidung verursacht eine Drosselung der Katalysatorrohre, in denen die Dampf-Reformierung vorgenommen wird. Aus der Thermodynamik des Systems kann berechnet werden, daß Kohlenstoff kein Gleichgewichtsprodukt ist, wenn das Wasserdampfverhältnis 2 oder mehr Moleküle je Atom Kohlenstoff in dem reagierenden Kohlenwasserstoff beträgt. Trotzdem tritt in der Praxis Kohlenstoffablagerung ein, wenn das Wasserdampfverhältnis erheblich größer als 2 Moleküle Dampf je Atom Kohlenstoff ist; und es wurde gefunden, daß zur Verhinderung der Kohlenstoffablagerung das Wasserdampfverhältnis mindestens 6 sein soll.These two reactions lead to the formation of carbon. The presence of carbon is there Not only is it undesirable in the gas produced, but its deposition causes a throttling the catalyst tubes in which the steam reforming is carried out. From thermodynamics of the system it can be calculated that carbon is not an equilibrium product if that Water vapor ratio 2 or more molecules per atom of carbon in the reacting hydrocarbon amounts to. Nevertheless, in practice, carbon deposition occurs when the water vapor ratio is significantly greater than 2 molecules of vapor per atom of carbon; and it was found that To prevent carbon deposition, the water vapor ratio should be at least 6.
»Leichtdestillat« (worunter eine einfach destillierte Erdöldestillationsfraktion mit dem Endsiedepunkt unter 200° C verstanden wird) enthält eine solche Schwefelmenge, daß bei seiner Verwendung bei einem Dampf-Reformierungs-Verfahren der Reformierungs-Katalysator bald vergiftet werden würde. Daher hat man Leichtdestillat immer vor der Dampf-Reformierung im wesentlichen vollständig entschwefelt; dabei muß ein Wasserdampfverhältnis von 6 bis 7 Molekülen Dampf je Atom Kohlenstoff im allgemeinen zur Verhinderung der Kohlenstoffabscheidung angewandt werden."Light distillate" (including a simply distilled petroleum distillation fraction with the final boiling point is understood under 200 ° C) contains such an amount of sulfur that when used in a steam reforming process the reforming catalyst would soon be poisoned. Therefore, light distillate has always been substantially completely desulfurized before the steam reforming; a water vapor ratio of 6 to 7 molecules of vapor per atom of carbon in general must be used can be used to prevent carbon deposition.
Die USA.-Patentschrift 2 711419 schlägt die Verwendung eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit 0,05 Gewichtsprozent Schwefelgehalt für die Herstellung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff nach einem Dampf-Reformierungs-Verfahren vor. Damit werden jedoch, abgesehen von der weiter-U.S. Patent 2,711,419 suggests its use a hydrocarbon feedstock with 0.05 weight percent sulfur content for the Production of carbon monoxide and hydrogen using a steam reforming process. However, apart from the further
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hin möglichen Katalysatorvergiftung, Schwierigkeiten durch Kohleabscheidung auf dem Kondensator und durch die daraus folgenden Betriebsunterbrechungen nicht verhindert.possible catalyst poisoning, difficulties due to carbon deposition on the condenser and not prevented by the resulting business interruptions.
Es wurdee nun die überraschende Entdeckung gemacht, daß, wenn nur eine geringe Menge Schwefel — wie nachstehend erläutert — in dem Leichtdestillat vorhanden ist, das Dampf-Reformierungs-Verfahren bei einem Dampfverhälnis beträchtlich unter 6 durchgeführt werden kann, ohne daß Kohlenstoffabscheidung eintritt.The surprising discovery has now been made that if only a small amount of sulfur - as explained below - is present in the light distillate, the steam reforming process at a vapor ratio well below 6 can be carried out without carbon deposition entry.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher ein Dampf-Reformierungs-Verfahren für Kohlenwasserstoffe vorgeschlagen, welches aus der Umsetzung zwischen einem Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf bei erhöhter Temperatur, bei atmosphärischem oder höherem Druck und in Gegenwart eines geeigneten Katalysators mit dem Kennzeichen besteht, daß in dem reagierenden Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch eine schwefelhaltige Verunreinigung in solchem Ausmaße vorhanden ist, daß das Reaktionsmittel zwischen etwa 0,0001 und 0,001 Gewichtsprozent Schwefel enthält.According to the present invention, therefore, there is provided a steam reforming process for hydrocarbons proposed which consists of the reaction between a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons and water vapor at elevated temperature, at atmospheric or higher pressure and in the presence of a suitable catalyst marked that in a sulfur-containing impurity in the reacting hydrocarbon or hydrocarbon mixture is present to such an extent that the reactant is between about 0.0001 and 0.001 weight percent Contains sulfur.
Das Dampf-Reformierungs-Verfahren wird praktisch bei einer Temperatur zwischen 600 und 1000° C (vorzugsweise zwischen 700 und 900° C) und einem Druck zwischen 1 und 20 Atmosphären, vorzugsweise zwischen 10 und 15 Atmosphären absolut durchgeführt. Ein besonders geeigneter Katalysator ist auf einem Träger, beispielsweise Aluminiumoxyd, aufgebrachtes Nickel. Der Katalysator ist vorzugsweise im wesentlichen frei von Kieselsäure.The steam reforming process is practiced at a temperature between 600 and 1000 ° C (preferably between 700 and 900 ° C) and a pressure between 1 and 20 atmospheres, preferably carried out between 10 and 15 atmospheres absolute. A particularly suitable catalyst is on Nickel applied to a carrier, for example aluminum oxide. The catalyst is preferred essentially free of silica.
Der reagierende Kohlenwasserstoff ist vorzugsweise Leichtdestillat.The reacting hydrocarbon is preferably light distillate.
Vorzugsweise soll der reagierende Kohlenwasserstoff zwischen 0,0001 und 0,0005 Gewichtsprozent Schwefel enthalten. Eine besonders bevorzugte Schwefelkonzentration liegt bei etwa 0,0002 Gewichtsprozent. Oberhalb 0,0008 Gewichtsprozent Schwefel wird es notwendig, die Arbeitstemperatur ganz beträchtlich zu erhöhen, was wirtschaftlich ein Nachteil ist.Preferably the reacting hydrocarbon should be between 0.0001 and 0.0005 percent by weight Contain sulfur. A particularly preferred sulfur concentration is about 0.0002 percent by weight. Above 0.0008 weight percent sulfur it becomes necessary to keep the working temperature to increase quite considerably, which is an economic disadvantage.
Um ein Reaktionsmittel mit dem erforderlichen Schwefelgehalt zu erhalten, kann die anfängliche Entschwefelung, der der unreine Kohlenwasserstoff unterworfen werden muß, unter solchen Bedingungen durchgeführt werden, daß die geeignete Schwefelmenge entfernt werden kann. Alternativ kann ein eine geeignete Menge Schwefel enthaltendes Material, beispielsweise ein nicht gereinigter Kohlenwasserstoff, zu einer Menge von im wesentlichen vollständig entschwefeltem Kohlenwasserstoff zugesetzt werden.In order to obtain a reactant with the required sulfur content, the initial Desulfurization to which the impure hydrocarbon must be subjected under such conditions be carried out so that the appropriate amount of sulfur can be removed. Alternatively a material containing a suitable amount of sulfur, for example an unpurified hydrocarbon, added to an amount of substantially completely desulfurized hydrocarbon will.
Es wurde gefunden, daß Leichtdestillat mit einem Gehalt von etwa 0,0002 Gewichtsprozent Schwefel zur Herstellung von Gas für die Methanolsynthese ohne Kohlenstoffabscheidung der Dampf-Reformierung unterworfen werden kann, wenn das bei dem Verfahren benutzte Dampfverhältnis so niedrig wie 2,5 Moleküle Dampf je Kohlenstoffatom beträgt.It has been found that light distillate with a content of about 0.0002 percent by weight sulfur for the production of gas for the methanol synthesis without carbon deposition of the steam reforming can be subjected when the steam ratio used in the process is as low as 2.5 molecules of vapor per carbon atom.
Es muß beachtet werden, daß die Zusammensetzung des nach dem Verfahren hergestellten Gases von den Reaktionsbedingungen, wie Temperatur und Natur des Katalysators, abhängt.It must be noted that the composition of the gas produced by the process on the reaction conditions, such as temperature and nature of the catalyst, depends.
Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung hegt darin, daß das Verfahren unter Verwendung eines verhältnismäßig niedrigen Wasserdampfverhältnisses durchgeführt werden kann. Nicht nur macht dieses das Verfahren wirtschaftlicher, sondern die Verwendung von weniger Wasserdampf führt dazu, daß das hergestellte Gas reicher an Kohlenmonoxyd und daher für die Verwendung bei der Methanolsynthese geeigneter ist.The main advantage of the present invention is that the method using a relatively low water vapor ratio can be carried out. Don't just do this the process more economical, but the use of less steam leads to the fact that the produced gas richer in carbon monoxide and therefore for use in methanol synthesis is more suitable.
40 1 Leichtdestillat mit dem Siedepunktbereich von 40 bis 170° C wurden mit der äquimolekularen Menge40 1 light distillate with the boiling point range from 40 to 170 ° C were with the equimolecular amount
ίο Wasserstoff gemischt und das entstehende Gemisch bei einem Druck von 21 kg/cm2 durch eine Zinkoxydschicht, dann durch eine solche, welche aus einem Gemisch von Aluminiumoxyd niedergeschlagenen Kobalt- und Molybdänoxyden bestand, und schließlieh durch eine Zinkoxydschicht geleitet, wobei alle drei Schichten auf 380 bis 400° C erhitzt wurden.ίο mixed hydrogen and the resulting mixture at a pressure of 21 kg / cm 2 through a zinc oxide layer, then through one which consisted of a mixture of aluminum oxide precipitated cobalt and molybdenum oxides, and finally passed through a zinc oxide layer, with all three layers on 380 to 400 ° C were heated.
Das erhaltene Produkt, welches im wesentlichen vollständig entschwefelt war, wurde mit 108 kg Wasserdampf gemischt, welchem 250 ecm ungereinigtes Leichtdestillat mit einem Gehalt von 0,03 Gewichtsprozent organisch gebundenem Schwefel zugesetzt worden war. So enthielt das hergestellte Gemisch etwa 0,00019 Gewichtsprozent Schwefel, und das Wasserdampfverhältnis lag bei etwa 3 Molekülen Wasserdampf je Kohlenstoffatom. Dieses Gemisch wurde bei einem Druck von 12,6 kg/cm2 durch ein mit einem Reformierungs - Katalysator angefülltes Rohr geleitet, welcher 18 Gewichtsprozent Nickel enthielt. Die Wandung des Rohres, welches einen Durchmesser von 101,6 mm und eine Länge von 6,1 m hatte, wurde durch einen umgebenden Ofen bei 860° C gehalten.The product obtained, which was essentially completely desulfurized, was mixed with 108 kg of steam to which 250 ecm of unpurified light distillate with a content of 0.03 percent by weight of organically bound sulfur had been added. The mixture produced contained about 0.00019 percent by weight sulfur and the water vapor ratio was about 3 molecules of water vapor per carbon atom. This mixture was passed at a pressure of 12.6 kg / cm 2 through a tube filled with a reforming catalyst which contained 18% by weight of nickel. The wall of the pipe, which had a diameter of 101.6 mm and a length of 6.1 m, was kept at 860 ° C. by a surrounding furnace.
Im Verlauf eines Zeitraumes von 5 Tagen trat keine Vergrößerung des Druckverlustes in dem Rohr auf, und während dieser Zeit wurde auf dem Katalysator kein Kohlenstoff niedergeschlagen, kein Kohlenstoffteilchen durch das Rohr mit dem hergestellten Gas mitgetragen und war keine augenscheinliche Verschlechterung des Katalysators eingetreten. There was no increase in the pressure drop in the pipe over a period of 5 days and no carbon was deposited on the catalyst during this time, none Carbon particles carried through the pipe with the produced gas and was not an apparent one The catalytic converter has deteriorated.
Es wurde der gleiche Versuch unter Verwendung von im wesentlichen vollständig entschwefeltem Leichtdestillat vorgenommen, dem kein Schwefel zugesetzt worden war. Die Kohlenstoffabscheidung war kontinuierlich, und nach weniger als 24 Stunden war vollständige Blockierung des Rohres eingetreten.The same experiment was carried out using essentially completely desulfurized Made light distillate to which no sulfur had been added. The carbon deposition was continuously, and after less than 24 hours complete blockage of the tube had occurred.
Ein zweites Destillat wurde genau in derselben Weise, wie im zweiten Absatz des Beispiels 1 beschrieben, mit der Abweichung geleitet, daß das Gemisch von gereinigtem und ungereinigtem Leichtdestillat so hergestellt wurde, daß es etwa 0,0004 Gewichtsprozent Schwefel enthielt. Nach5tägiger Arbeitsweise war keine Kohlenstoffbildung eingetreten, und die Aktivität des Katalysators war in keiner Weise verringert. Wenn die Schwefelkonzentration unter denselben Bedingungen auf 0,0008 Gewichtsprozent erhöht wurde, war keine Kohlenstoffbildung nachweisbar; doch trat ein sichtbarer Verlust der katalytischen Wirksamkeit ein, weil es notwendig wurde, die Arbeitstemperatur um 20° C zu erhöhen, um denselben Umwandlungsgrad zu erreichen.A second distillate was prepared in exactly the same way as described in the second paragraph of Example 1, with the exception that the mixture of purified and unpurified light distillate was made to contain about 0.0004 weight percent sulfur. After 5 days of work no carbon formation had occurred and the activity of the catalyst was in no way whatsoever decreased. When the sulfur concentration is reduced to 0.0008 percent by weight under the same conditions was increased, no carbon formation was detectable; but there was a visible loss of the catalytic Effectiveness because it became necessary to increase the working temperature by 20 ° C in order to to achieve the same degree of conversion.
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USA.-Patentschrift Nr. 2 711 419.Considered publications:
U.S. Patent No. 2,711,419.
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