DE2427530A1

DE2427530A1 - Methanisierungsreaktor

Info

Publication number: DE2427530A1
Application number: DE19742427530
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Dr Moeller; Wolf-Dieter Dipl Ing Mueller; Karl Pirl
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1974-06-07
Publication date: 1975-12-18
Also published as: FR2273785B1; JPS516903A; GB1503538A; FR2273785A1; US3996014A; DE2427530C2; JPS5912087B2

Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt/Main, den 24.5.1974

Aktiengesellschaft -Wgn/HSz-

Nr. 7459^: LO 2427530

Methanisierungsreaktor

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zum katalytisehen Umwandeln von Kohlenoxide, Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Gasen zu Methan bei Temperaturen etwa zwischen 250 und 55O°C und Drücken im Bereich von 10 bis 80 atm mit einem im wesentlichen zylindrischen·Außenmantel und einem Gaseintritt und einem Gasaustritt an jeweils einer von beiden der gegenüberliegenden Stirnseiten.

Die katalytisch^ Methanisierung ist häufig eine Verfahrensstufe bei der Herstellung hoch methanhaltiger Gase wie etwa synthetisches Erdgas. Dabei wird in einem vorausgehenden Verfahrensschritt ein Reichgas erzeugt, das bereits überwiegend aus Methan besteht und daneben noch Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthält. Auch der für die Methanisierung notwendige Wasserdampf liegt in dem zu methanisierenden Gasgemisch meist in ausreichender Menge bereits vor.

Die Methanisierung, für welche auch der erfindungsgemäße Reaktor gedacht ist, wird meist mit nickelhaltigen Katalysatoren durchgeführt, welche 30 bis 60 Gew.% Nickel auf einem Trägermaterial enthalten. Trägermaterialien der verschiedensten Art können hierfür infrage kommen, z.B. Aluminiumoxid, Magnesiumsilikat oder Magnesiumspinell„ Die katalytische Umsetzung von Kohlenoxiden mit Wasserstoff zu Methan ist ein exothermer Vorgang. Bekannte Methanisierungsreaktoren weisen deshalb mehrere, übereinander angeordnete Katalysatorschichten auf, die wassergekühlt sind.

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Weiterhin kennt man Schachtreaktoren, in denen das umzusetzende Gasgemisch eine einzige, geschlossene Katalysatorschüttung durchströmt.

Beim Methanisierungsreaktor mit großem Volumen, der einen Durchmesser von mehr als 3 m besitzt, stellen sich besondere Probleme, weil entweder ihr Transport äußerst schwierig oder aber die Herstellung direkt am Ort der Gaserzeugungsanlage notwendig wird. Eine der Schwierigkeiten stellt auch die ungleiche Wärmeausdehnung des Ober- und Unterteils des Reaktors dar, welche durch die Exothermie der Reaktion entsteht und unterschiedliche Schubspannungen im Reaktor auftreten läßt. Besonders der Außenmantel des Reaktors unterliegt diesen Spannungen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Aufwand für die Herstellung des Reaktors möglichst niedrig zu halten und die Wärmespannung weitestgehend auszuschalten. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mindestens ein Teil des Katalysatorvolumens in einepi Innenbehälter eingefüllt ist, der im Bereich der Einlaßöffnung gasundurchlässig ist und dessen im wesentlichen zylindrischer Mantel in durchströmbarem Abstand von der Innenseite des Reaktor-Außenmantels angeordnet ist und Durchtrittsöffnungen für das umzusetzende Gasgemisch aufweist. Das Katalysatorvolumen im Innenbehälter wird im wesentlichen radial nach innen durchströmt. Auf diese Weise kann das Gasgemisch mit seiner relativ niedrigen Temperatur von etwa 250 bis 350 C bei Eintritt in den Reaktor zunächst den Raum zwischen der Innenseite des Außenmantels und dem Innenbehälter ausfüllen, bevor es in Kontakt mit dem Katalysatormaterial kommt, wo die exotherme Methanisierungsreaktion beginnt. Aufgrund der Abschirmung des Reaktor-Außenmantels gegen hohe Temperaturen kann dieser für eine niedrigere Temperatur ausgelegt v/erden, was beträchtliche Herstellungskosten spart.

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Um den'Druckverlust des umzusetzenden Gases beim Durchgang durch das Katalysatormaterial niedrig zu halten, ist im Innenbehälter ein durchlochtes, zentrales Gassammeirohr angeordnet, welches kein Katalysatormaterial enthält» Das zumindest weitgehend ausreagierte Gas sammelt sich in diesem Rohr und strömt dort ohne weiteren Druckverlust dem Gasaustritt des Reaktors zu.

Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Innenbehälter und dem Gasaustritt mindestens eine weitere Katalysatorschicht angeordnet, um den Umsetzungsgrad des Gasgemisches noch zu verbessern. Die Schichthöhe dieser weiteren'Katalysatorschicht (oder Katalysatorschichten) wird niedrig gehalten, um darin keinen wesentlichen weiteren Druckverlust mehr zu erzeugen. In der Praxis wird das im Innenbehälter angeordnete Katalysatonnaterial etwa 60 bis 90 %, vorzugsweise 75 bis 85 %, des gesamten Katalysatorvolumens ausmachen und der Rest auf die zusätzliche Schicht (bzw. Schichten) verteilt.

Bin AusfUhrungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Reaktor wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt den Reaktor im Längsschnitt.

Der Reaktor hat einen im wesentlichen zylindrischen Außenmantel 1 mit einer Gaseintrittsöffnung 2 an der oberen und einem Gasaustritt- 3 an der unteren Stirnseite. Für Wartungsarbeiten und dergl. ist das Innere des Reaktors für eine Person durch Mannlöcher 4 und 5 zugänglich. Während des Betriebes sind die Mannlöcher durch einen Deckel dicht verschlossen. Im oberen Bereich des Reaktors ist ein Innenbehälter 6' angeordnet, welcher Katalysatormaterial 7 enthält. Im Innern weist der Behälter 6 ein zentrales Gassammeirohr auf, welches sich durch den Boden 9 des Behälters 6 hindurch nach unten fortsetzt.

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Der dem Gaseintritt 2 nächstgelegene obere Teil des Innenbehälters 6 ist gasundurchlässig. Der Mantelteil 6a des Innenbehälters 6 besitzt dagegen eine große Zahl von Durchtrittsöffnungen, wie das in der Zeichnung durch die gestrichelte Linienführung angedeutet ist. Das obere Ende des Gassammelrohrs 8 ist ebenfalls gasundurchlässig ausgebildet, die anderen Teile des Rohres 8, soweit sie sich im Behälter 6 befinden, sind ebenfalls gelocht, um den Gasdurchtritt zu ermöglichen.

Das Katalysatormaterial 7 ist bis über des. durchlochten Bereiche des Behälters 6 und des Rohres 8 aufgeschüttet, damit das aus dem Ringraum zwischen dem Mantel 1 und dem Mantelteil 6a kommende Gas zwangsläufig Katalysatormaterial durchströmen muß. Vorteilhafterweise besitzt der Mantelteil 6a einen Durchmesser, der etwa das 0,85- bis 0,97-fache des Innendurchmessers des Reaktormantels 1 beträgt; für das Gassammeirohr 8 in diesem Bereich ist ein Durchmesser vom 0,1- bis 0,3-fachen des Außenmanteldurchmessers zweckmäßig."' Das Volumen des Katalysatormaterials 7 beträgt etwa 60 bis 90 %, vorzugsweise 75 bis 85 %, des gesamten Katalysatorvolumens im Reaktor.

Das Gas, das sich im Rohr 8 sammelt, strömt nach unten und kann durch Perforationen im Rohr in den Zwischenraum 10 eintreten. Von dort muß dieses Gas durch eine Katalysatorschicht 11 hindurchströmen, welche auf einem Rost 12 liegt. Die Kata^satorschicht 11 reicht vom Rohr 8 bis zur Innenseite des Reaktormantels 1. Das Rohr 8 ist im Bereich dieser Schicht gasundurchlässig ausgebildet.

Vom Rohr 8 geht eine gasundurchlässige Haube 13 aus, deren größter Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Mantels 1 ist, so daß zwischen ihr und dem Mantel ein durchströmbarer Ringraum 14 freibleibt. Das aus der Katalysator-

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schicht 11 kommende Gas strömt durch diesen Ringraum 14 und' schließlich durch nichtkatalytisches Stützmaterial 15 zum Gasaustritt 3. Das Stützmaterial 15 wird z.B, durch keramische Kugeln gebildet, die katalytisch nicht wirksam sind und im durchströmenden Gas nur einen geringen Druckverlust■bewirken. Die Haube 13 sitzt auf einem gasdurchlässigen Stützrand 18.

Gas im Rohr 8, das nicht durch die Katalysatorschicht 11 strömt, tritt am unteren Ende des Rohres 8 innerhalb der Haube 13 aus und nimmt dann den Weg durch eine zweite Katalysatorschicht 16. Diese zweite Katalysatorschicht liegt auf dem Stützmaterial 15 und wird am Rand von der Haube 13 eingefaßt. Von der zweiten Katalysatorschicht 16 strömt dieser Teil des Gases durch das Stützmaterial und dann zum Gasaustritt 3. Die beiden Katalysatorschichten 11 und 16 dienen dazu, um Gasanteile, welche aufgrund von unvorhergesehenen Kurzschlußströmen das Katalysatormaterial 7 unreagiert passiert haben, auch noch umzusetzen. Sie werden üblicherweise mit gleicher Höhe ausgebildet. Die Höhe jeder Katalysatorschicht 11 oder 16 beträgt meist das 0,1- bis 0,25-fache des Durchmesser des Reaktor-Außenmantels 1.

Abweichend von der in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist es auch möglich, auf die Katalysatorschicht 11 und die Haube 13 zu verzichten und dafür die Katalysatorschicht 16 so auszubilden, daß sie den ganzen Innendurchmesser des Reaktors ausfüllt. In diesem Fall ist nur eine Schutzschicht zum Ausreagieren von Gas vorhanden, welches nicht bereits im Katalysatormaterial 7 umgesetzt wurde. Die einzige Katalysatorschicht 16 wird üblicherweise etwa 10 - 15 % des gesamten Katalysätormaterials enthalten. Die beiden in der Zeichnung dargestellten Schichten 11 und 16 haben jedoch den Vorteil, durch Zweiteilung des gesamten Gasvolumens· aus dem Rohr 8 den

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Druckverlust im Katalysatormaterial niedriger zu halten. Muß das gesamte Gas durch eine Schicht strömen, dann ist der Druckverlust in dieser Schicht bei unveränderter Schichthöhe wegen der höheren Gasgeschwindigkeiten das 4-fache des bei der 2-Schicht-Anordnung bewirkten Druckverlustes. Kommt dann noch das Katalysatorvolumen der anderen Schicht hinzu, so steigt der Druckverlust auf das 8-fache an.

Die erfindungsgemäße Reaktorkonstruktion eignet sich besonders für Reaktoren mit einem Außenmanteldurchmesser- von mehr als 3 m bis etwa 5 m. Die Länge des Reaktors beträgt dann etwa das 1,5- bis 3,5-fache seines Durchmessers.

Ein Reaktor der in der Zeichnung dargestellten Art kann beispielsweise folgende Abmessungen aufweisen:

Durchmesser des Reaktor-Außenmantels 1 Durchmesser des Innenbehälters 6 Durchmesser des Gassammeirohres 8 Höhe der Katalysatorschicht 7 Höhen der Katalysatorschichten 11

und 16

Länge des Reaktors

3,	,8 m
3,	,4 m
1	m
4	m
jeweils 0,5 m

9,5 m

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Claims

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Patentansprüche

/ 1 )\ Reaktor zum katalytisehen Umwandeln von Kohlenoxide, Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Gasen zu Methan bei Temperaturen etwa zwischen 250 und 55O⁰C und Drücken im Bereich von 10 bis 80 atm mit einem im wesentlichen zylindrischen Außenmantel und einem Gaseintritt und einem Gasaustritt an jeweils einer von beiden der gegenüberliegenden Stirnseiten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Katalysatorvolumens in einen Innenbehälter eingefüllt ist, der im Bereich der Einlaßöffnung gasundurchlässig ist und dessen im wesentlichen zylindrischer Mantel in durchströmbarem Abstand von der Innenseite des Reaktor-Außenmantels angeordnet ist und Durchtrittsöffnungen für das umzusetzende Gasgemisch aufweist.
2) Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein durchlochtes zentrales, in seinem Innern von Katalysatormaterial freies Gassammeirohr.
3} Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenbehälter und dem Gasaustritt mindestens eine weitere Kataly'satorschicht angeordnet ist.
4) Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Innenbehälter und dem Gasaustritt zwei Katalysatorschichten angeordnet sind, wobei durch die dem Innenbehälter näher gelegene Katalysatorschicht das zentrale Gassammelrohr hindurchgeführt ist.

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5) Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet« daß das zentrale Gassammelrohr vor der dem Gasaustritt näher gelegenen Katalysatorschicht endet und diese Katalysatorschicht in der Nähe des Reaktor-Außenmantels mindestens einen katalysatorfreien Durchlaß, z.B. einen Ringspalt, aufweist.
6) Reaktor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das im Innenbehälter angeordnete Katalysatormaterial 60 bis 90 % des gesamten Katalysatorvolumens ausmacht.

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