DE1667388A1 - Process and device for the production of hydrogen by reacting carbon monoxide with water vapor - Google Patents

Process and device for the production of hydrogen by reacting carbon monoxide with water vapor

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Karl-Heinz Dr Gruendler
Helmut Dr Krome
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Description

BADISCHE AlTILIlI- & SODA-FABRIK AGBADISCHE ALTILIlI- & SODA-FABRIK AG

Unser Zeichen: O.Z. 24 926 Gr/Wst Ludwigshafen/Rhein, 16.6.1967Our reference: O.Z. 24 926 Gr / Wst Ludwigshafen / Rhine, June 16, 1967

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch Umsetzung von Kohlenmonoxyd mit WasserdampfMethod and device for the production of hydrogen by reacting carbon monoxide with water vapor

Es ist bekannt,- bei der Herstellung von Wasserstoff durch Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasserdampf in Gegenwart von Katalysatoren bei normalem oder erhöhtem Druck in zwei oder mehr Stufen zu arbeiten. Die Umsetzung, auch CO-Konvertierung genannt, wird zumeist in vertikalen, zylindrischen Reaktionsöfen ausgeführt, da aus diesen der Katalysator leichter entfernt werden kann als aus den gleichfalls bekannten horizontal angeordneten Öfen. Besonders bewährt hat sich für die CO-Konvertierung der sog. Ringofen, lei dem die Umsetzung in einem vertikalen, zylindrischen Reaktionsraum, in dem der Katalysator in einer oder mehreren vertikalen, ebenfalls zylindrischen, Schichten angeordnet ist. Der Reaktionsraum ist zumeist in zwei übereinanderliegende Teilräume durch einen horizontalen, etwa in der Mitte der Höhe des gesamten Reaktionsraums befindlichen Boden aufgeteilt. Von besonderer Bedeutung ist bei diesem Verfahren die Übertragung des Wärmeinhaltes des konvertierten bzw. teilkonvertierten Gases auf das zu konvertierende Frischgas zur Vorwärmung desselben. Man verwendet hierfür Wärmeaustauscher meistens mit einem sog. Kühler-Sättiger-System, inIt is known - in the production of hydrogen by reaction of carbon monoxide with water vapor in the presence of catalysts at normal or elevated pressure in two or more stages to work. The conversion, also known as CO conversion, is usually carried out in vertical, cylindrical reaction ovens, as the catalyst is more easily removed from these can be used as from the also known horizontally arranged ovens. It has proven particularly useful for CO conversion the so-called ring furnace, where the reaction takes place in a vertical, cylindrical reaction chamber in which the catalyst is in one or more vertical, also cylindrical, layers is arranged. The reaction space is mostly in two superimposed Partial spaces by a horizontal one located approximately in the middle of the height of the entire reaction space Split floor. In this process, the transfer of the heat content of the converted is of particular importance or partially converted gas to the fresh gas to be converted to preheat the same. Heat exchangers are used for this mostly with a so-called cooler-saturator system, in

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welchem das konvertierte bzw. teilkonvertierte Gas einen Teil seines Wärme- und Wasserdampfgehaltes an Wasser abgibt, mit dem das Gas in einem Rieselkühler in unmittelbare Berührung gebracht wird, und in einem Sättiger, in dem das Frischgas mit dem vom Kühler kommenden heissen Umlaufwasser berieselt wird. Bei diesem Verfahren wird das die erste Katalysatorschicht verlassende teilkonvertierte Gas aus dem Reaktionsofen herausgeleitet und ganz oder teilweise durch einen Zwischenwärmeaustauscher geführt, bevor es in-die zweite Katalysatorschicht des Reaktionsofens zurückgelangt.which the converted or partially converted gas is part of releases its heat and water vapor content to water, with which the gas in a trickle cooler comes into direct contact is brought, and in a saturator in which the fresh gas is sprinkled with the hot circulating water coming from the cooler will. In this process, the partially converted gas leaving the first catalyst layer is passed out of the reaction furnace and wholly or partially passed through an intermediate heat exchanger before it enters the second catalyst layer of the reaction furnace.

Diese Arbeitsweise hat den Nachteil, dass in den ausserhalb des Reaktors gelegenen Wärmeaustauschern ein erhöhter Druck- und Wärmeverlust entsteht. Die Wand des Reaktors und die Rohrleitungen befinden sich auf einer hohen Temperatur und müssen daher innen isoliert oder aus hochlegierten Stählen gefertigt werden.This mode of operation has the disadvantage that in the heat exchangers located outside the reactor there is an increased pressure and heat loss occurs. The wall of the reactor and the pipelines are at a high temperature and must therefore insulated on the inside or made of high-alloy steels.

Es wurde nun gefunden, dass man diese Nachteile vermeidet,
wenn man die umzusetzenden Gase zunächst im oberen Teil des Reaktionsraumes in einen durch den Einbau einer vertikalen, zylindrischen Katalysatorschicht gebildeten Innenhohlraum
leitet, von dort horizontal von innen nach aussen durch die zylinderförmige Katalysatorschicht hindurchführt, kühlt, in dem zwischen der Wand des Reaktionsraumes und der Katalysatorschicht gebildeten zylindrischen Aussenhohlraum sammelt und über Schikanen oder Prallbleche zur guten Durchmischung der Gase in die nächste Umsetzungsstufe im unteren Teil des Reaktionsraumes führt.
It has now been found that these disadvantages can be avoided,
if the gases to be converted are first placed in the upper part of the reaction space in an inner cavity formed by the installation of a vertical, cylindrical catalyst layer
conducts, from there passes horizontally from the inside to the outside through the cylindrical catalyst layer, cools, collects in the cylindrical outer cavity formed between the wall of the reaction space and the catalyst layer and uses baffles or baffle plates for thorough mixing of the gases in the next conversion stage in the lower part of the reaction space leads.

1Q9824/U69 " 3 "1Q9824 / U69 " 3 "

Ein derartiges Verfahren wahrt die Vorteile der bisher bekannten Arbeitsweise mit querdurchströmtem Katalysatorringraum, vereinfacht aber durch die Wandkühlung bei erheblich herabgesetzter beanspruchung der Reaktorwand die Bauweise des Reaktors hinsichtlich Material und \7anddicke. Auch bei dieser Arbeitsweise ist ein rascher und vereinfachter Katalysatorwechsel möglich, indem zwischen oberer und unterer Katalysatorschicht eine Verbindung durch geeignete Ablaufvorrichtungen geschaffen wird,Such a process preserves the advantages of the previously known mode of operation with a cross-flow catalyst annulus, but simplified by the wall cooling with considerably reduced stress on the reactor wall on the construction of the reactor in terms of material and thickness. Even with this way of working a quick and simplified catalyst change is possible by switching between the upper and lower catalyst layer a connection is created by suitable drainage devices,

Line geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in der Abbildung wiedergegeben. Die Vorrichtung besteht aus einem vertikalen, zylindrischen Reaktionsofen, in welchem der Katalysator in einer konzentrischen, vertikalen, ringförmigen Schicht angeordnet ist. Der Reaktionsraum ist ausserdem horizontal in zwei übereinanderliegende Teilräume aufgeteilt. Ein besonderes Kennzeichen dieser Vorrichtung ist ein zylindrischer Innenhohlraum '(1) und ein ringförmiger Aussenhohlraum (3)> die durch den Einbau der Katalysatorschicht (2) gebildet werden und in dem im oberen Teilraum (A) die umzusetzenden Gase vom Innenhoülraum her in horizontaler Richtung die Katalysatorschicht durchwandern müssen, bevor sie in den Aussenhohlraum gelangen und einer Kühleinrichtung (4) im oberen Teilraum (A), , durch die die Gase abgekühlt werden, bevor sie über geeignete Schikanen und Prallbleche (5), die am Boden (6) dieses Teilraum es angeordnet sind, in den Aussenhohlraum des unteren Teilraumes (3) gelangen.A suitable device for performing this procedure is shown in the figure. The device consists from a vertical, cylindrical reaction furnace in which the catalyst is arranged in a concentric, vertical, annular layer. The reaction space is also horizontally divided into two superimposed sub-rooms. A special feature of this device is a cylindrical one Inner cavity '(1) and an annular outer cavity (3)> which are formed by the installation of the catalyst layer (2) and in which the gases to be converted from the upper subspace (A) Inner cavity ago the catalyst layer in the horizontal direction must wander through before they get into the outer cavity and a cooling device (4) in the upper sub-space (A), , through which the gases are cooled before they pass through suitable baffles and baffle plates (5) on the floor (6) of this sub-space there are arranged to get into the outer cavity of the lower sub-space (3).

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Die Kühleinrichtung bei dieser Arbeitsweise, z.B. Kühlschlangen, kann sowohl an der Innenwand des Reaktors als auch im Innenhohlraum (1) angeordnet sein. Man kann aber auch die Kühlschlangen innerhalb der Katalysatorschicht, z.B. in dem äusseren, nach dem ringförmigen Aussenhohlraum zu gelegenen Teil, anordnen. Vorteile dieser Wand- und Innenkühlung gegenüber der bisher üblichen Aussenkühlung der konvertierten bzw. teilkonvertierten Gase in einem ausserhalb des Reaktors gelegenen Zwischenwärmeaustauscher sind: Niedrige Wärme- und Druckverluste sowie vereinfachte apparative Ausgestaltung. Auch auf die bisher erforderliche Verwendung hochlegierter Stähle für den Bau der Reaktorwand und der Rohrleitungen bzw. die ansonsten erforderliche Innenisolierung dieser Teile kann verzichtet werden.The cooling equipment in this mode of operation, e.g. cooling coils, can both on the inner wall of the reactor and in the inner cavity (1) be arranged. But you can also use the cooling coils within the catalyst layer, e.g. in the outer, part to be located after the annular outer cavity, arrange. Advantages of this wall and internal cooling compared to the previously customary external cooling of the converted or partially converted Gases in an intermediate heat exchanger located outside the reactor are: Low heat and pressure losses as well as simplified equipment design. Also on the one so far required use of high-alloy steels for the construction of the reactor wall and the pipelines or the otherwise required Internal insulation of these parts can be dispensed with.

Die Katalysatorschicht kann im oberen wie im unteren Teil des Reaktors in zweckmässiger Weise so angeordnet werden, dass der ringförmige Aussenhohlraum (3), in. den die Gase aus der Katalysatorschicht eintreten, an seiner oberen Seite durch eine Verbreiterung der Katalysatorschicht (7) abgeschlossen wird, so dass kein GaskurζSchluss auftreten kann. Die beiden Katalysatorschichten sind gasdicht voneinander getrennt, wobei die Reaktionsgase nach der ersten Schicht, bereits gekühlt, über die am Boden (6) des oberen Teilraumes angeordneten Schikanen bzw, Prallbleche, die eine gute Durchmischung und Wärmeausgleich bewirken, in den darunter gelegenen Teil des Reaktors, vorzugsweise in dessen Aussenhohlraum (3)s gelangen»The catalyst layer can be conveniently arranged in the upper as well as in the lower part of the reactor in such a way that the annular outer cavity (3) into which the gases from the catalyst layer enter is closed on its upper side by a widening of the catalyst layer (7) so that no gas short circuit can occur. The two catalyst layers are separated from each other in a gas-tight manner, with the reaction gases after the first layer, already cooled, via the baffles or baffle plates arranged on the bottom (6) of the upper sub-space, which cause good mixing and heat equalization, into the part of the reactor below , preferably in its outer cavity (3) s »

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Die einfachste und. vorteilhafteste Verfahrensführung sieht vor, dass die zu konvertierenden Gase aus dem Aussenhohlraum des oberen Teilraumes A ohne Umweg direkt in den Aussenhohlraum des unteren Teilraumes B und von dort in den Innenhohlraum strömen. Man kann die Katalysatorschiebten sowohl im oberen Teil des Reaktors als auch in dessen unteren Teil in der Strömungsrichtung in Unterschichten mit Katalysatoren verschiedener Zusammensetzung, verschiedener Korngrösse oder Formgebung unterteilen. The simplest and. the most advantageous procedure provides that the gases to be converted from the outer cavity of the The upper sub-space A can flow directly into the outer cavity of the lower sub-space B and from there into the inner cavity. The catalyst slides can be found both in the upper part of the reactor and in its lower part in the direction of flow subdivide into sub-layers with catalysts of different composition, different grain size or shape.

Der Reaktor kann für die beiden übereinander angeordneten Katalysatorschichten mit Einrichtungen zum leichteren Pullen und Entleeren des Katalysators versehen werden, z.B. indem man die Katalysatorschichten durch zwei Rohrsysteme verbindet, von denen eines vom Boden der oberen Katalysatorschicht in die darunterliegende frei endend hineinragt, und das andere von der Decke der tieferliegenden Katalysatorschicht in die darüberliegende Katalysatorschicht frei endend hineinragt.The reactor can be used for the two catalyst layers arranged one above the other be provided with facilities for easier pulling and emptying of the catalytic converter, e.g. by using the Catalyst layers are connected by two pipe systems, one of which extends from the bottom of the upper catalyst layer to the one below protruding freely ending, and the other from the ceiling of the lower lying catalyst layer into the overlying one Catalyst layer protrudes ending freely.

Das erfindungagemäsae Verfahren und die Vorrichtung können bei I der Herstellung von Wasserstoff bei normalem oder erhöhtem Druck, z.B. bei einem Druck von 1 bis 150 at, und bei niedriger oder erhöhter Temperatur, z.B. bei 160 bis 30O0C, d.h. der sog. Tieftemperatur-Konvertierung, und bei Temperaturen von 300 bis 6000C, d.h. der sog. Hochtemperatur-Konvertierung, angewandt werden. Auch im Hinblick auf die Herkunft der zu konvertierenden Gase ist das erfindungsgemässe Veifahren allgemein anwendbar und es gelten im übrigen die an sich für die CO-KonvertierungThe method and the device according to the invention can be used in the production of hydrogen at normal or elevated pressure, for example at a pressure of 1 to 150 atmospheres, and at low or elevated temperatures, for example at 160 to 30O 0 C, ie the so-called low temperature Conversion, and at temperatures of 300 to 600 0 C, ie the so-called. High-temperature conversion, are used. The process according to the invention can also be generally used with regard to the origin of the gases to be converted and, moreover, those per se apply to the CO conversion

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bekannten Bedingungen bezüglich Dampf/Gas-Verhältnis, Druck und Temperaturgefälle sowie Umsatz.known conditions regarding steam / gas ratio, pressure and temperature gradient as well as sales.

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ORIGINAL INSPECTBDORIGINAL INSPECTBD

Claims (2)

- 7 - O.Z. 24 926 Patentansprüche- 7 - O.Z. 24,926 claims 1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Umsetzung von Kohlenmonoxyd mit Wasserdampf in Gegenwart von Katalysatoren bei normalem oder erhöhtem Druck in zwei Stufen in einem vertikalen, zylindrischen Reaktionsraum, in dem der Katalysator in einer vertikalen, ebenfalls zylindrischen Schicht angeordnet ist und der in zwei übereinanderliegende Teilräume aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass man die umzusetzenden Gase zunächst im oberen Teil des Reaktionsraumes in den durch den Einbau der vertikalen, zylindrischen Katalysatorschicht gebildeten Innenhohlraum leitet, von dort horizontal von innen nach aussen durch die zylinderförmige Katalysatorschicht hindurchführt, kühlt, in dem zwischen der Wand des Reaktionsraumes und der Katalysatorschicht gebildeten zylindrischen Aussenhohlraum sammelt und über Schikanen oder Prallbleche zur guten Durchmischung der Gase in die nächste Umsetzungsstufe im unteren ( Teil des Reaktionsraumes führt.1. Process for the production of hydrogen by reacting carbon monoxide with water vapor in the presence of catalysts at normal or elevated pressure in two stages in a vertical, cylindrical reaction chamber in which the catalyst is arranged in a vertical, also cylindrical layer and the one in two superimposed layers Subspaces is divided, characterized in that the gases to be converted are first passed in the upper part of the reaction space into the inner cavity formed by the installation of the vertical, cylindrical catalyst layer, from there horizontally from the inside to the outside through the cylindrical catalyst layer, cooled, in which between The cylindrical outer cavity formed on the wall of the reaction space and the catalyst layer collects and leads via baffles or baffles for thorough mixing of the gases into the next reaction stage in the lower part of the reaction space. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem vertikalen, zylindrischen Reaktionsofen, in dem die Katalysatoren in einer konzentrischen, vertikalen, ringförmigen Schicht angeordnet sind und der horizontal in zwei übereinanderliegende Teilräume aufgeteilt ist, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Innenhohlraum (1)2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, consisting of a vertical, cylindrical reaction furnace in which the catalysts are arranged in a concentric, vertical, annular layer and which is horizontally divided into two superimposed partial spaces, characterized by a cylindrical inner cavity (1 ) 109624/1469109624/1469 ORIGINAL INSPECTlDORIGINAL INSPECTlD 8 - O.Z. 24 9268 - O.Z. 24 926 und einen ringförmigen Aussenhohlraum (3)» die durch den Einbau der Katalysatorschicht (2) gebildet werden und in denen im oberen Teilraum A die umzusetzenden Gase vom Innenhohlraum her in horizontaler Richtung die Katalysatorschicht durchwandern müssen, bevor sie in den Aussenhohlraum gelangen, und einer Kühleinrichtung (4) im oberen Teilraum (A), durch die die Gase abgekühlt werden, bevor sie über geeignete Schikanen (5), die am Boden (6) dieses Teilraumes angeordnet sind, in den Aussenhohlraum des unteren Teilraumes (B) gelangen.and an annular outer cavity (3) »through the Installation of the catalyst layer (2) are formed and in which in the upper subspace A the gases to be converted from the inner cavity must wander through the catalyst layer in a horizontal direction before they get into the outer cavity, and a cooling device (4) in the upper sub-space (A), through which the gases are cooled before they are passed through suitable ones Baffles (5), which are arranged on the floor (6) of this sub-space, into the outer cavity of the lower sub-space (B) reach. BAOISCHE ANIIIN- & SODA-FABRIK AGBAOISCHE ANIIIN- & SODA-FABRIK AG Zelehn.Ten. 109824/1469109824/1469
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