DE1199428B

DE1199428B - Vorrichtung zur kontinuierlichen katalytischen Spaltung von leichtfluechtigen Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE1199428B
Application number: DEK47216A
Authority: DE
Inventors: Horst Berns; Dipl-Ing Willi Ruehl
Original assignee: Heinrich Koppers GmbH
Current assignee: Heinrich Koppers GmbH
Priority date: 1962-07-12
Filing date: 1962-07-12
Publication date: 1965-08-26
Also published as: AT240508B; GB996231A; CH472490A

Description

Vorrichtung zur kontinuierlichen katalytischen Spaltung von leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen katalytischen Spaltung von leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen oder Gemischen solcher, insbesondere unter erhöhtem Druck, zur Erzeugung eines Heizgases, vorzugsweise eines Heizgases mit Stadtgaseigenschaften.
Es ist bekannt, daß man aus leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Erdgas, Flüssiggas und Leichtbenzin, ein heizwertreiches Brenngas erzeugen kann, indem man ein Gemisch aus den Kohlenwasserstoffdämpfen und Wasserdampf durch außenbeheizte Rohre leitet, in denen ein geeigneter Katalysator, insbesondere ein hochaktiverNickelkatalysator, angeordnet ist. Das vorgewärmte Reaktionsgemisch wird bei seinem Eintritt in die Katalysatorzone, die sich normalerweise auf einer Temperatur zwischen 750 und 850° C befindet, aufgeheizt, wobei eine Krackung der Kohlenwasserstoffmoleküle unter Bildung kleinerer Moleküle eintritt. Im weiteren Verlauf des Durchganges des Reaktionsgemisches durch die Katalysatorzone setzen sich die Krackprodukte mit dem Wasserdampf unter hauptsächlicher Bildung von Kohlenoxyd und Wasserstoff um. Bei einer geeigneten Führung des Prozesses gelingt es, ein Brenngas zu erhalten, das hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenoxyd und leichten Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan, besteht, und dessen Heizwert und Dichte dem des üblichen Stadtgases entspricht.
Bei dieser Arbeitsweise ist der Zeitraum, währenddessen das in das Spaltrohr eintretende Reaktionsgemisch auf die Katalysatortemperatur erwärmt wird, von kritischer Bedeutung. Dieser Zeitraum muß, wie sich herausgestellt hat, möglichst schnell durchlaufen werden, um die Bildung von Polymerisaten, die hauptsächlich während der sogenannten Aufheizperiode stattfindet, möglichst gering zu halten. Diese Polymerisate, die sich aus den Spaltprodukten bilden, würden die Oberfläche des Katalysators nach einiger Zeit bedecken, dessen Aktivität dadurch erniedrigen und schließlich eine mehr oder weniger völlige Verhinderung der Spaltungsreaktion bewirken.
Führt man die Spaltungsreaktionen bei im wesentlichen normalem oder höchstens leicht übernormalem Druck, etwa bis 2 Atmosphären, aus, so läßt sich im allgemeinen bei vernünftigen Abmessungen der Spaltrohre und materialmäßig beherrschbaren Rohrwandtemperaturen die Rufheizung des Reaktionsgemisches auf die Katalysatortemperatur so schnell durchführen, daß demgegenüber die Bildung von Polymerisaten zurückbleibt, so daß ein kontinuierlicher Betrieb mit nur gelegentlicher Regenerierung des Katalysators gewährleistet ist. Will man jedoch die Spaltung unter wesentlich erhöhtem Druck, beispielsweise einem Druck zwischen 3 und 15 Atmosphären, ausführen, so verlaufen die Polymerisationsreaktionen so schnell, daß die Bildung störender Mengen von Polymerisaten schon beendet ist, ehe die Umsetzungen der Spaltprodukte mit dem Wasserdampf im weiteren Verlauf des Prozesses einsetzen. Ein kontinuierlicher Betrieb ist dann nicht mehr aufrechtzuerhalten. Der gleiche Effekt tritt, wenn auch in etwas abgeschwächtem Umfang, bei normalem Druck oder wenig erhöhtem Druck auf, wenn man ein Ausgangsgut verwendet, das seiner Zusammensetzung und seinem Siedebereich nach zur Bildung von polymerisierfähigen Spaltstücken bei der Rufheizung von etwa 300° C auf etwa 800° C neigt.
Einer Verkürzung der Aufheizzeit durch stärkere BeheizungderSpaltrohre sind material- und konstruktionsbedingte Grenzen gesetzt.
Zur Überwindung der obenerwähnten Schwierigkeiten wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Achse des Spaltrohres im Bereich der Aufheizzone ein weiteres Rohr für die Durchleitung der Kohlenwasserstoffdämpfe, gegebenenfalls in Mischung mit einem Teil des insgesamt für die Spaltung benötigten Wasserdampfes, angeordnet ist, daß ein ringförmiger Zwischenraum zwischen den beiden Rohren für die Vorerhitzung des Wasserdampfes bzw. einer Teilmenge desselben, gegebenenfalls zusammen mit Luft, vorgesehen ist und daß zwischen dem Austrittsende des Einsatzrohres und der Katalysatorzone ein Mischraum für die durch die Aufheizzone geführten Komponenten vorhanden ist.
Bei thermischen Spaltanlagen, die mit völlig anderen Temperaturlagen und außerdem in der Weise zyklisch betrieben werden, daß in abwechselnden Perioden Regeneratoren aufgeheizt werden, die dann ihre Wärme in den Zwischenperioden an gas- oder dampfförmige Wärmeträger abgeben, ist es bereits bekannt, in diese hoch vorerhitzten Wärmeträger die umzusetzenden Kohlenwasserstoffe einzusprühen.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun erzielt, daß nur der Wasserdampf der verhältnismäßig langen Aufheizzeit ausgesetzt ist, während die Kohlenwasserstoffdämpfe beim Durchlaufen der Aufheizzone nur eine unwesentliche Temperaturerhöhung erfahren, jedoch am Ende der Aufheizzone mit dem hoch vorgewärmten Wasserdampf in kürzester Zeit intensiv durchmischt und anschließend sofort in die Katalysatorzone geführt werden. Die Tatsache, daß nur der Wasserdampf mit der heißen Innenwand des Spaltrohres in Berührung kommt, gestattet es im übrigen, mit der Wandtemperatur nötigenfalls an die äußerste materialbedingte Grenze zu gehen, was auf keinen Fall möglich wäre, wenn auch die Kohlenwasserstoffdämpfe mit der Rohrwandung in Berührung kämen.
Da das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoffdämpfen gewöhnlich etwa 2 bis 3 :1 beträgt, ist gewährleistet, daß am Ende der Aufheizzone eine genügende Wärmemenge bei hoher Temperaturlage zur Verfügung steht, um die Kohlenwasserstoffdämpfe schlagartig aufzuheizen.
Es hat sich gezeigt, daß es nicht unbedingt notwendig ist, den gesamten Wasserdampf getrennt von den Kohlenwasserstoffdämpfen in der Aufheizzone auf hohe Temperatur zu bringen, sondern daß es zur Erreichung des erfindungsgemäßen Zweckes auch genügt, einen Anteil von 60 bis 80 % getrennt auf höhere Temperatur vorzuwärmen, während der Rest des Wasserdampfes zusammen mit den Kohlenwasserstoffdämpfen getrennt von dem reinen Wasserdampfstrom durch die Aufheizzone geführt wird.
Falls zusätzlich zu Wasserdampf auch Luft als Bestandteil des Ausgangsgemisches vorhanden ist - meist im Verhältnis 7 Volumteile Wasserdampf zu 1 Volumteil Luft-, so kann diese Luft dem hoch vorzuerhitzenden Wasserdampf zugesetzt werden. Gegebenenfalls kann diese Luft auch getrennt sowohl von den Kohlenwasserstoffen als auch dem Wasserdampf durch die Aufheizzone geführt und erst am Ende derselben den anderen Komponenten beigemischt werden.
In der Abbildung ist ein senkrechter Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Das Spaltrohr ist mit 1 bezeichnet und ist gewöhnlich aus zunderfestem Stahl hergestellt. Im oberen Teil des Spaltrohres ist eine Aufheizzone 2 vorgesehen, im unteren Teil eine Katalysatorzone 3. Die Aufheizzone 2 ist durch die ineinandergeschachtelten konzentrischen Rohre 4 und 5 in mehrere Ringzonen unterteilt. Die äußere Ringzone steht mit der Zuleitung 6, die innere Ringzone mit der Zuleitung 7 in Verbindung. Durch Leitung 6 wird der Wasserdampf, entweder die volle Menge oder eine Teilmenge von 60 bis 80 %, in die Aufheizzone eingeführt. Der Wasserdampf strömt durch die ringförmige Aufheizzone nach unten und gelangt mit einer Temperatur von mindestens 800° C in eine Mischzone 9, die auf der unterenSeite von derKatalysatorzone 3 begrenztwird. Durch Leitung 7 werden die Kohlenwasserstoffdämpfe, die im allgemeinen auf eine Temperatur von etwa 300° C vorgewärmt sind, in die innere Ringzone des Rohres 4 eingeführt. Eine gewisse Erwärmung der Kohlenwasserstoffdämpfe bei ihrem Weg nach unten tritt natürlich ein, jedoch kann man die Erwärmung auf einen unkritischen Temperaturbereich beschränken, insbesondere wenn man einen Teil des Wasserdampfes mit den Kohlenwasserstoffdämpfen durch die innere Ringzone nach unten führt. Schließlich wird durch die Leitung 5 die verhältnismäßig kleine Menge an Reaktionsluft durch die Aufheizzone nach unten gebracht. Am Ende der Aufheizzone trifft innerhalb des Rohres 4 Luft mit einem Teil der Kohlenwasserstoffdämpfe in dem Verbrennungsraum 10 zusammen. Die exotherme Reaktion bewirkt eine schnelle Temperatursteigerung dieses Anteiles der Kohlenwasserstoffdämpfe. Die Verbrennungsprodukte gelangen zusammen mit dem anderen Teilstrom der Kohlenwasserstoffdämpfe in die Mischzone 9, wo sie sich schnell und intensiv mit dem hoch vorerhitzten Wasserdampf vermischen, so daß ein schnelles Durchlaufen des erwähnten kritischen Temperaturbereiches gewährleistet ist. Anschließend tritt das so vorbereitete Gemisch in die Katalysatorzone 3 ein. Diese ist ebenfalls ringförmig ausgebildet, und zwar durch die Anordnung des rohrförmigen Verdrängungskörpers 11.
Um die Strömungsrichtung des Gemisches in der Hauptspaltzone aus einer hauptsächlich achsenparallelen Richtung in eine radiale Richtung abzulenken und dadurch die Berührung des gesamten Reaktionsgemisches mit der beheizten Spaltrohrwand zu verbessern, ist auf dem Verdrängungskörper 11 im Bereich der Hauptspaltzone ein schraubenlinienförmiger Blechstreifen 12 angebracht, der ein immer wieder erneutes Heranführen des Reaktionsgemisches an die heiße Rohrwandung bewirkt.
Es ist auch möglich, die Hauptspaltzone ohne Einbauten bzw. Verdrängungskörper als einen gleichmäßig mit Katalysator gefüllten zylindrischen Raum vorzusehen.
Das heiße Fertiggas verläßt das Spaltrohr am unteren Ende und wird dann in bekannter Weise weiterbehandelt.
Das Spaltrohr befindet sich zusammen mit anderen gleichartig ausgebildeten Rohren in einem mit feuerfestem Material ausgekleideten Ofen mit rundem oder rechteckigem Querschnitt. Die Beheizung der Rohre erfolgt durch oben oder unten in dem Ofen angeordnete Brenner. Die heißen Verbrennungsgase strömen an den Rohren entlang und werden dann getrennt von dem Nutzgas aus dem Ofen abgezogen.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur kontinuierlichen katalytischen Spaltung von leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen oder Gemischen solcher, insbesondere unter erhöhtem Druck, zur Erzeugung eines Heizgases, vorzugsweise eines Heizgases mit Stadtgaseigenschaften, bestehend aus außenbeheizten senkrechten Rohren mit einer Katalysatorzone und einer im Strömungsweg des Reaktionsgemisches aus Kohlenwasserstoffdämpfen, Wasserdampf und gegebenenfalls Luft vorgeschalteten katalysatorfreien Aufheizzone, d a -durch gekennzeichnet, daß in der Achse des Spaltrohres im Bereich der Aufheizzone ein weiteres Rohr für die Durchleitung der Kohlenwasserstoffdämpfe, gegebenenfalls in Mischung mit einem Teil des insgesamt für die Spaltung benötigten Wasserdampfes, angeordnet ist, daß ein ringförmiger Zwischenraum zwischen den beiden Rohren für die Vorerhitzung des Wasserdampfes bzw. einer Teilmenge desselben, gegebenenfalls zusammen mit Luft, vorgesehen ist und daß zwischen dem Austrittsende des Einsatzrohres und der Katalysatorzone ein Mischraum für die durch die Aufheizzone geführten Komponenten vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einsatzrohr eine Luft-Lanze für die Zuführung der Luft bis in den Bereich des Mischraumes angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1003 910, 1003 911, 1035 309; deutsche Auslegeschrift D 14766IVa/12i (bekanntgemacht am 22. 9. 1955); französische Patentschrift Nr. 1019 972; britische Patentschrift Nr. 680 874; USA.-Patentschrift Nr. 2 371147.