DE1545462C3 - Process for the production of gases with a methane content of at least 50 percent by volume - Google Patents
Process for the production of gases with a methane content of at least 50 percent by volumeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasen mit einem Methangehalt von mindestens 50 Volumprozent durch Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit einer oberen Siedegrenze bis 350° C und einer durchschnittlichen C-Zahl von mindestens 10 bis höchstens 20 mit Wasserdampf und Wasserstoff unter erhöhtem Druck in Gegenwart eines Spaltkatalysators mit 20 bis 60 Gewichtsprozent Nickel als aktiver Komponente und einem Träger aus Tonerde oder Magnesium-Aluminiumsilikat. Solche Gase werden im folgenden auch als Reichgase bezeichnet; sie haben einen oberen Heizwert von mindestens 5000 kcal/Nm3.The invention relates to a process for the production of gases with a methane content of at least 50 percent by volume by splitting hydrocarbons with an upper boiling limit of up to 350 ° C and an average carbon number of at least 10 to at most 20 with steam and hydrogen under increased pressure in the presence of a Fission catalyst with 20 to 60 percent by weight nickel as the active component and a carrier made of alumina or magnesium aluminum silicate. Such gases are also referred to below as rich gases; they have an upper calorific value of at least 5000 kcal / Nm 3 .
In der BE-PS 6 34 920 ist ein Verfahren beschrieben, nach welchem Kohlenwasserstoffe des Benzinbereichs mit Wasserdampf bei Temperaturen von 450 bis 7000C an Katalysatoren, die Nickel oder Kobalt und ein Metall der Platingruppe auf einem oxidischen Trägermaterial, Aluminiumoxid und Oxide oder Silikate der Alkali- oder Erdalkalimetallgruppe enthalten kann, bei normalem oder erhöhtem Druck zu mehtanhaltigen Gasen von Stadtgasqualität oder bei Temperaturen bis 10000C zu Synthesegasen, die aus CO und H2 bestehen und arm an Methan sind, zu spalten. Insbesondere zur Erzeugung von Stadtgas kann dabei dem Einsatzgemisch Wasserstoff zugesetzt werden.In BE-PS 6 34 920 a process is described, according to which hydrocarbons of the gasoline range with steam at temperatures of 450 to 700 0 C on catalysts, the nickel or cobalt and a metal of the platinum group on an oxidic carrier material, aluminum oxide and oxides or silicates the alkali or alkaline earth metal group can be split at normal or elevated pressure to mehtane-containing gases of town gas quality or at temperatures up to 1000 0 C to synthesis gases which consist of CO and H 2 and are poor in methane. In particular, to generate town gas, hydrogen can be added to the feed mixture.
Aus der DT-AS 11 80481 ist ein Verfahren zur Erzeugung methanreicher Gase aus Kohlenwasserstoffen mit 4 bis 10 C-Atomen je Molekül bekannt, in dem die Kohlenwasserstoffe im Gemisch mit Wasserdampf bei normalem oder erhöhtem Druck auf 350 bis 500° C erhitzt und danach über einen nickelhaltigen Katalysator geleitet werden, dessen Temperatur sich durch die positive Reaktionswärme auf eine Temperatur von 400 bis 550° C einstellt. Vorzugsweise sollen dabei Drücke zwischen 10 und 25 ata und ein Verhältnis von 2 bis 5 Gewichtsteilen Wasserdampf auf 1 Gewichtsteil Kohlenwasserstoffe nao gewendet werden.From the DT-AS 11 80481 there is a method for generating Methane-rich gases from hydrocarbons with 4 to 10 carbon atoms per molecule are known in which the hydrocarbons mixed with water vapor at normal or increased pressure to 350 heated to 500 ° C and then passed over a nickel-containing catalyst, its temperature adjusts itself to a temperature of 400 to 550 ° C due to the positive heat of reaction. Preferably should pressures between 10 and 25 ata and a ratio of 2 to 5 parts by weight of water vapor to 1 part by weight of hydrocarbons nao.
Dieses Verfahren beruht auf einer Reaktionsfolge, in welcher die Kohlenwasserstoffe primär mit Wasserdampf zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff und zum Teil auch zu Methan und Kohlendioxid umgesetzt werden. Das Kohlenmonoxid kann noch mit vorhandenem Wasserdampf nach der Wassergasreaktion Wasserstoff und Kohlendioxid bilden, kann aber auch mit Wasserstoff unter Bildung von Methan und Kohlendioxid oder Wasserdampf reagieren.This process is based on a reaction sequence in which the hydrocarbons are primarily mixed with water vapor converted to carbon monoxide and hydrogen and partly also to methane and carbon dioxide will. The carbon monoxide can still react with existing water vapor after the water gas reaction Form hydrogen and carbon dioxide, but can also with hydrogen to form methane and Carbon dioxide or water vapor react.
ao Die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe müssen dafür aus leichtsiedenden Kohlenwasserstoffen bis etwa C5 bestehen. Wird ein Gemisch von Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen, die überwiegend im Bereich C7 bis C10 liegen, umgesetzt, dann muß dieses Gemisch zur Einhaltung der Temperatur im Katalysatorbett so hoch vorgewärmt werden, daß dabei unabhängig vom Dampfzusatz bereits thermische Krackreaktionen einsetzen, welche die Reaktionsfähigkeit des Ausgangsgemisches und die Aktivität des Katalysators herabsetzen, sich polymerisierende Stoffe bilden und schließlich Rußbildung auftritt.ao The hydrocarbons to be split must consist of low-boiling hydrocarbons up to about C 5 . If a mixture of steam and hydrocarbons, which are predominantly in the range of C 7 to C 10 , reacted, then this mixture must be preheated to maintain the temperature in the catalyst bed to such an extent that, regardless of the addition of steam, thermal cracking reactions begin, which reduce the reactivity of the Reduce the starting mixture and the activity of the catalyst, polymerizing substances form and finally soot formation occurs.
Nach einer Variante dieses bekannten Verfahrens werden Kohlenwasserstoffe mit einem Siedeende von 165° C mit Wasserdampf in Gegenwart von Wasserstoff an einem Nickel auf einem Träger aus Aluminiumoxid enthaltenden Katalysator unter erhöhtem Druck bei Temperaturen von 450 bis 9000C zu methanhaltigen Gasen gespalten (BE-PS 6 35 755). Aus der FR-PS 13 94 202 ist ein Verfahren zur Reichgaserzeugung bekannt, bei welchem Kohlenwasserstoffe mit einer mittleren C-Zahl von 4 bis 15 mit Wasserdampf und zurückgeführtem Produktgas an Nickelkatalysatoren umgesetzt werden. Die Temperatur des umzusetzenden Gasgemisches liegt nicht unter 350° C und die Reaktion läuft bei 400 bis 600° C ab.According to a variant of this known method hydrocarbons with a final boiling point of 165 ° C with steam in the presence of hydrogen over a nickel on a support of alumina-containing catalyst under superatmospheric pressure at temperatures of 450-900 0 C to methane-containing gases split (BE-PS 6 35 755). From FR-PS 13 94 202 a process for rich gas generation is known in which hydrocarbons with an average carbon number of 4 to 15 are reacted with steam and recycled product gas over nickel catalysts. The temperature of the gas mixture to be converted is not below 350 ° C and the reaction takes place at 400 to 600 ° C.
Mit steigender Vorwärmtemperatur der Einsatzstoffe werden im Katalysatorbett die endothermen Reaktionen, in denen Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen, begünstigt, was zu einem Temperaturabfall im Katalysatorbett führt. Dieser begünstigt aber bei dem relativen Kohlenmonoxidüberschuß die Boudouard-Reaktion, die von nickelreichen Katalysatoren ohnehin stärker als die Wassergasreaktionen gefördert wird, und verursacht die Bildung von freiem Kohlenstoff (Ruß) und Kohlendioxid.As the preheating temperature of the starting materials rises, the endothermic in the catalyst bed Reactions in which carbon monoxide and hydrogen are formed are favored, leading to a drop in temperature leads in the catalyst bed. However, this favors the relative carbon monoxide excess Boudouard reaction, that of nickel-rich catalysts, is anyway stronger than the water-gas reactions and causes the formation of free carbon (soot) and carbon dioxide.
Je höher die durchschnittliche C-Atomzahl des eingesetzten Kohlenwasserstoffgemisches ist, um so eher treten die schwer kontrollierbaren, zur Bildung von Polymerisaten und Ruß führenden Nebenreaktionen ein, welche die Lebensdauer des Katalysators stark verkürzen. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß schon bei der Verdampfung und Vorwärmung von flüssigen Kohlenwasserstoffen bis C10 unerwünschte Krackreaktionen einsetzen, wenn die wärmeübertragenden Rohrwandungen der Wärmeaustauscher Temperaturen über 500° C annehmen. Je höher die Siedebereiche des eingesetztenThe higher the average number of carbon atoms in the hydrocarbon mixture used, the more likely it is that the side reactions which are difficult to control and lead to the formation of polymers and soot and which greatly shorten the life of the catalyst occur. Experimental studies have shown that start at a pre-heating and the evaporation of liquid hydrocarbons to C10 undesirable cracking reactions if the heat-transferring tube walls of the heat exchanger temperatures above 500 ° C accept. The higher the boiling range of the used
Kohlenwasserstoffgemisches liegen, um so niedriger liegt die Temperaturgrenze, oberhalb welcher thermi- ~ sehe Spaltreaktionen einsetzen.Hydrocarbon mixture lie, the lower the temperature limit, above which thermal ~ see cleavage reactions set in.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art über eine längere Zeit störungsfrei und wirtschaftlich durchzuführen. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß dem Einsatzgemisch aus Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf je Kilogramm Kohlenwasserstoffe 0,1 bis 0,8 Nm3 Wasserstoff zugefügt werden und daß das wasserstoffhaltige Einsatzgemisch auf maximal 350° C vorgewärmt und bei maximal 450° C am Spaltkatalysator umgesetzt wird. Die verwendeten Katalysatoren können auch noch 0,01 bis 0,1 %> Platin oder Palladium als aktivierende Komponente enthalten. Da die Katalysatoren schwefelempfindlich sind, ist es zweckmäßig, das schon wasserstoffhaltige Einsatzgemisch über eine bekannte Entschwefelungsmasse, z. B. Zinkoxid oder Eisenoxid, zu leiten.It is the object of the invention to carry out a method of the type mentioned at the beginning without interference and economically over a long period of time. This object is achieved in that 0.1 to 0.8 Nm 3 of hydrogen per kilogram of hydrocarbons are added to the feed mixture of hydrocarbons and water vapor and that the hydrogen-containing feed mixture is preheated to a maximum of 350 ° C and reacted at a maximum of 450 ° C on the cleavage catalyst. The catalysts used can also contain 0.01 to 0.1% platinum or palladium as an activating component. Since the catalysts are sensitive to sulfur, it is advisable to use a known desulfurization compound, e.g. B. zinc oxide or iron oxide to conduct.
Zur Einhaltung der Vorwärmtemperatur, insbesondere zur Vermeidung von Überschreitungen der oberen Grenztemperatur, bei der thermische Krakkungen einsetzen, ist es vorteilhaft, die Vorwärmung des schon wasserstoffhaltigen Einsatzgemisches im Wärmeaustausch mit dem aus dem Reaktor ausströmenden noch heißen Produktgas herbeizuführen. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Heizmedium nicht wesentlich mehr als 100° C heißer ist als das aufzuheizende Einsatzgemisch.To maintain the preheating temperature, in particular to avoid exceeding the upper limit temperature at which thermal cracks set in, it is advantageous to preheat the already hydrogen-containing feed mixture exchanges heat with that flowing out of the reactor to bring about still hot product gas. In this way it is achieved that the heating medium is not significantly more than 100 ° C hotter than the feed mixture to be heated.
Zur Einführung des Wasserstoffs können wasserstoffhaltige Gase verwendet werden, die mindestens 20 Volumprozent H2 enthalten, z.B. Kokereigas oder Raffinerieabgas. Gegebenenfalls kann ein kleiner Teilstrom des rohen Produktgases in einem Röhrenofen in bekannter Weise auf hohen Wasserstoffgehalt gespalten werden.Hydrogen-containing gases which contain at least 20 percent by volume of H 2 can be used to introduce the hydrogen, for example coke oven gas or refinery off-gas. If necessary, a small partial flow of the crude product gas can be split in a known manner to a high hydrogen content in a tube furnace.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auch höhersiedende Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Heizöle oder Dieselöle, die bisher als wenig geeignet für eine Spaltung zu heizwertreichen Versor- gungsgasen unter Ausschluß von Sauerstoff galten, einer Umwandlung zu methanreichen Gasen zugänglich gemacht, und zwar bei überraschend niedrigen Temperaturen. Das ist eine Folge des relativ geringen Wasserstoffzusatzes. Diese Maßnahme erlaubt weiter, den Wasserdampf gehalt im Einsatzgemisch beträchtlich zu senken. Dadurch wird der Taupunkt im Produktgas wesentlich herabgesetzt. Demgemäß fällt bei der Abkühlung des Gases das wäßrige Kondensat erst bei tieferen Temperaturen an, was für einen vorgegebenen Apparatewerkstoff eine Verminderung der Korrosionsgefahr bedeutet.The inventive method also higher boiling hydrocarbons, for example Heating oils or diesel oils, which were previously considered unsuitable for splitting into high-calorific supply Supply gases with the exclusion of oxygen were considered to be accessible to conversion to methane-rich gases made at surprisingly low temperatures. That is a consequence of the relatively low Addition of hydrogen. This measure also allows the water vapor content to be reduced considerably in the feed mixture. This will reduce the dew point in the Product gas significantly reduced. Accordingly, when the gas is cooled, the aqueous condensate falls only at lower temperatures, which is a reduction for a given apparatus material which means the risk of corrosion.
Mit folgender Anordnung kann das Verfahren beispielsweise ausgeführt werden: Einem Spaltreaktor in Form eines mit Katalysator gefüllten Schachtofens wird ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffdampf, Wasserdampf und Wasserstoff mit Temperaturen von 330 bis 350° C zugeführt. Das Produktgas des Spaltreaktors wird durch einige Wärmeaustauscher und Gasbehandlungsstufen zur Weiterverwendung geführt. Zunächst folgt auf den Spaltreaktor ein Dampfüberhitzer, in welchem Wasserdampf von einem Dampferzeuger auf seine Temperatur für die Umsetzung im Spaltreaktor gebracht wird. Nach dem Dampfüberhitzer gibt das Produktgas Wärme in. einem Verdampfer ab, wo ein Gemisch aus Wasserstoff und vorgewärmten Kohlenwasserstoffen verdampft und dann mit dem überhitzten Wasserdampf vor Eintritt in den Spaltreaktor gemischt wird. Nach dem Verdampfer wird das Produktgas durch einen Speisewasser-Erhitzer geleitet, der dem Dampferzeuger vorgeschaltet ist und auf etwa 100° C vorge^ wärmtes, entgastes Speisewasser zugeführt erhält. Das Produktgas gibt weiter noch Wärme zur Vorwärmung der Kohlenwasserstoffe auf etwa 16O0C ab, bevor es zur Vorwärmung des Speisewassers dient. In die nachfolgende Kohlendioxidwäsche wird das Produktgas mit etwa 160° C eingeleitet und hat einen CO2-Gehalt von 15 bis 20 Volumprozent. Falls das Gas mit diesem CO2-Gehalt verwertet wird, kann die Wäsche entfallen. Ansonsten folgt auf die Wäsche noch eine Gaskühlung und -trocknung.The method can be carried out, for example, with the following arrangement: A mixture of hydrocarbon vapor, water vapor and hydrogen at temperatures of 330 to 350.degree. C. is fed to a cracking reactor in the form of a shaft furnace filled with a catalyst. The product gas from the cleavage reactor is passed through a number of heat exchangers and gas treatment stages for further use. First, the cracking reactor is followed by a steam superheater, in which water vapor is brought to its temperature by a steam generator for the reaction in the cracking reactor. After the steam superheater, the product gas gives off heat in an evaporator, where a mixture of hydrogen and preheated hydrocarbons is evaporated and then mixed with the superheated steam before it enters the cracking reactor. After the evaporator, the product gas is passed through a feed water heater, which is connected upstream of the steam generator and is supplied with degassed feed water preheated to about 100 ° C. The product gas is further from any heat for preheating the hydrocarbons to about 16O 0 C, before it is used to preheat the feedwater. The product gas is introduced into the subsequent carbon dioxide scrubber at around 160 ° C and has a CO 2 content of 15 to 20 percent by volume. If the gas with this CO 2 content is recycled, washing can be omitted. Otherwise, the washing is followed by gas cooling and drying.
Versuchetry
IIIIII
IVIV
Einsatzkohlenwasserstoff:Feed hydrocarbon:
Siedebereich (0C) Boiling range ( 0 C)
Mittlere C-Zahl pro Molekül Average carbon number per molecule
Reaktionsbedingungen:Reaction conditions:
Druck (ata) Pressure (ata)
Vorwärmtemperatur (0C) Preheating temperature ( 0 C)
Produktgastemperatur (0C) Product gas temperature (0 C)
Wasserdampf-Kohlenwasserstoffverhältnis (kg/kg) .......Water vapor-hydrocarbon ratio (kg / kg) .......
Wasserstoffzusatz pro kg Kohlenwasserstoffe
(NnWkg) Hydrogen addition per kg of hydrocarbons
(NnWkg)
Produktgas-Zusammensetzung:Product gas composition:
CO2 (Volumprozent) CO 2 (volume percent)
CO (Volumprozent) CO (volume percent)
H2 (Volumprozent) H 2 (percent by volume)
CH4 (Volumprozent) CH 4 (volume percentage)
H2O (Nm»/Nm3) H 2 O (Nm »/ Nm3)
Laufzeit bis zum Durchbruch (h) Runtime to breakthrough (h)
40 bis 1040 to 10
21 350 42021 350 420
2,5 02.5 0
23,823.8
0,2 10,0 66,00.2 10.0 66.0
1,28 40 bis 255
101.28 40 to 255
10
21
350
43221
350
432
2,5
0,102.5
0.10
22,422.4
0,3
11,6
65,70.3
11.6
65.7
1,281.28
730730
190 bis 335
16190 to 335
16
21
350
42521
350
425
2,5
02.5
0
24,224.2
0,20.2
10,110.1
65,565.5
1,281.28
190 bis 335 16190 to 335 16
21
350
44521
350
445
2,5
0,202.5
0.20
21,421.4
0,3
13,5
64,80.3
13.5
64.8
1,261.26
170170
VergleichsbeispielComparative example
Die Vorteile des Verfahrens werden durch die vorstehenden Vergleichsversuche und deren Ergebnisse deutlich. Die Versuche I und III betreffen die Spaltung ohne Wasserstoffzugabe, die Versuche II und IV wurden jeweils mit einer Beimischung von Wasserstoff zum umzusetzenden .Gemisch durchgeführt. Bei allen Versuchen bestand der Katalysator aus 40 Gewichtsprozent Nickel auf einem Magnesium-Aluminium-Silikatträger mit der molaren Zusammensetzung MgO-Al2O3-SiO2. Die Durchsatzleistung war so eingestellt, daß je Stunde 4000 Nm3 Reichgas pro Kubikmeter Katalysator erzeugt wurden. The advantages of the method become clear from the above comparative tests and their results. Experiments I and III relate to the cleavage without the addition of hydrogen, experiments II and IV were each carried out with an admixture of hydrogen to the mixture to be converted. In all tests, the catalyst consisted of 40 percent by weight nickel on a magnesium-aluminum-silicate support with the molar composition MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 . The throughput was set so that 4000 Nm 3 of rich gas per hour were generated per cubic meter of catalyst.
Der Durchbruch wurde dann registriert, wenn höhere Kohlenwasserstoffe mit mindestens 5 C-Atomen je Molekül im Produktgas gefunden wurden. Im Versuch III wurde der Durchbruch schon bei Versuchsbeginn festgestellt. The breakthrough was registered when higher hydrocarbons with at least 5 carbon atoms per molecule were found in the product gas. In experiment III, the breakthrough was determined at the beginning of the experiment.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |