DE2427530C2

DE2427530C2 - Methanisierungsreaktor

Info

Publication number: DE2427530C2
Application number: DE2427530A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Dr. 6381 Seulberg Möller; Wolf-Dieter Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Müller; Karl 6351 Bad Nauheim Pirl
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1974-06-07
Publication date: 1984-04-05
Also published as: FR2273785A1; JPS5912087B2; US3996014A; GB1503538A; JPS516903A; FR2273785B1; DE2427530A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur katalytischen Umwandlung von Kohlenoxide, Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Gasen zu Methan bei Temperaturen zwischen etwa 250 und 550° C und Drücken von ca. bis 80 bar, bestehend aus einem Im wesentlichen zylindrischen Außenmantel, einem Innenbehälter, einem Gaseintritt und einem Gasaustritt an der oberen bzw. unteren Stirnseite des Mantels.

Die katalytisch^ Methanisierung Ist häufig eine Verfahrensstufe bei der Herstellung hoch methanhaltlger Gase wie etwa synthetisches Erdgas. Dabei wird In einem vorausgehenden Verfahrensschrltt 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 nlckelhaltigen Katalysatoren durchgeführt, welche 30 bis 60 Gew.-% Nicke! auf einem Trägermateiial enthalten. Trägermaterialien der verschiedensten Art können hierfür In Frage

in kommen, z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumsilikat oder Magnesiumspinell. Die katalytische Umsetzung von Kohlenoxiden mit Wasserstoff zu Methan ist ein exothermer Vorgang. Bekannte Methanislerungsreaktoren weisen deshalb mehrere, übereinander angeordnete Katalysatorschichten auf, die wassergekühlt sind. 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 Gassr/eugungsanlage notwendig wird. Eine der Schwierigkeiten stellt auch die ungleiche Wärmeausdehnung des Ober- und Unterteils des Reaktors dar, welche durch die Exothermic der Reaktion entsteht und unterschiedliche Schubspannungen im Reaktor auftreten läßt. Besonders der Außenmantel des Reaktors unterliegt diesen Spannungen.

w Es 1st deshalb Aufgabe der Erfindung, den Aufwand für die Herstellung des Reaktors möglichst niedrig zu halten und Wärmespannungen weitestgehend auszuschalten. Erfindungsgemäß wird dies durch die Alternativen erreicht, welche die Kennzeichen der Patentansprü-

J5 ehe 1 und 2 bilden. Bei diesen Ausgestaltungen des Methanislerungsreaktors wird das Katalysatorvolumen Im Innenbehälter im wesentlichen radial nach innen durchströmt. Auf diese Welse 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 Außenmaniels und dem Innenbehälter ausfüllen, bevor es In Kontakt mit dem Katalysatormaterial kommt, wo die exotherme Methanlslerungsreaktion beginnt. Aufgrund der Abschirmung des Reaktor-Außenmantels gegen hohe Temperaturen kann dieser für eine niedrigere Temperatur ausgelegt werden, was beträchtliche Herstellungskosten spart.

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

Zwischen dem Innenbehälter und dem Gasaustritt 1st mindestens eine weitere Katalysatorschicht angeordnet, um den Umsetzungsgrad des Gasgemisches noch zu verbessern. Die Schichthöhe dieser weiteren Katalysatorschicht (oder Katalysatorschichten) wird niedrg gehalten, um darin keinen wesentlichen weiteren Druckverlust mehr zu erzeugen. In der Praxis wird das Im Innenbehälter angeordnete Katalysatormaterial etwi. 60 bis 90%, vorzugsweise 75 bis 85%, des gesamten Katalysatorvolumens ausmachen und der Rest auf die zusätzliche

^b5 Schicht (bzw. Schichten) verteilt.

Ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsaemäüen Reaktor wird mit Hilfe der Zeichnung erläu;ert. 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 dergleichen ist d.is 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 f> ein zentrales Gassammeirohr 8 auf, welches sich durch den Boden 9 des Behälters 6 hindurch nach unten fortsetzt.

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 Enue des Gassammeirohrs 8 ist ebenfalls gasundurchlässig ausgebildet, die anderen Teile des Roh.is 8, soweit sie sich Im Behälter 6 befinden, sind ebenfalls gelocht, um den Gasdurchtritt zu ermöglichen.

Das Katalysatormaterial 7 lsi bis über die 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 durchströmen muß. Vorteilhafterweise besitzt der Mantelteil 6a einen Durchmesser der etwa das 0,85- bis 0,97fache des Innendurchmessers des Reaktormantels 1 beträgt; für das Gassammeirohr 8 in diesem Bereich Ist ein Durchmesser vom 0,1- bis 0,3fachen des Außenmanteldurchmessers zweckmäßig. Das Volumen des Katalysatormaterlals 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 Il hindurchströmen, welche auf einem Rost 12 liegt. Die Katalysatorschicht 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 Katalysatorschicht 11 kommende Gas strömt durch diesen Ringraum 14 und schließlich durch nichtkatalytisches Stützmaterial 15 zum Gasaustritt 3. Das Siützmaterlal 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

in 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 üblicher-

i") weise mit gleicher Höhe ausgebildet. Die Höhe jeder Katalysatorschicht 11 oder 16 beträgt meist das 0,1-bis 0,25fache des Durchmessers des Reaktor-Außenmantels 1.
Abweichend von der der Zeichnung dargestellten

-<) Anordnung ist es auch möglich, auf die Katalysalorschicht 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

2=> vorhanden, welches nicht bereits im Katalysatormaterial 7 umgesetzt wurde. Die einzige Katalysatorschicht 16 wird üblicherweise etwa 10 bis 15% des gesamten Katalysatormaterials enthalten. Die beiden in der Zeichnung dargestellten Schichten 11 und 16 haben jedoch den Vor-

S" teil, durch Zweiteilung des gesamten Gasvolumens aus dem Rohr 8 den Druckverlust im Katalysatormaterial niedriger zu halten. Muß das gesamte Gas durch eine Schicht strömen, dann ist der Druckverlusi in dieser Schicht bei unveränderter Schichthöhe wegen der höheren Gasgeschwindigkeiten das 4fache des bei der 2-Schicht-Anordnung bewirkten Druckverlustes. Kommt dann noch das Katalysatorvolumen der anderen Schicht hinzu, so steigt der Druckverlust auf das 8fache 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 3,5fache seines Durchmessers.

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

Durchmesser des Reaktor-Außenmantels 1: 3,8 m

Durchmesser des Innenbehälters 6: 3,4 m

Durchmesser des Gassammeirohres 8: Im

Höhe der Katalysatorschicht 7: 4 m

Höhen der Kaialysatorschichten 11 und 16: jeweils 0,5 m Länge des Reaktors: 9,5 m

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktor zur katalytlschen Umwandlung von Kohlenoxide, Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Gasen zu Methan bei Temperaturen zwischen etwa 250 und 550° C und Drücken von ca. 10 bis 80 bar, bestehend aus einem Im wesentlichen zylindrischen Außenmantel, einem Innenbehälter, einem Gaseintritt und einem Gasaustritt an der oberen bzw. unteren Stirnseite des Mantels, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (6) Im durchströmbaren Abstand von der Innenseite des Mantels (1) angeordnet und Im Bereich der Gaseintrittsöffnung (2) gasundurchlässig ausgebildet 1st, der obere Mantelteil (6a) des Innenbehälters, der den größten Teil des Katalysators aufnimmt, ebenso wie das zentrde Gassauimelrohr (8) eine große Anzahl von Gasdurchtrittsöffnungen aufweist, und daß zwischen dem Innenbehälter und dem Gasaustritt (3) eine weitere Katalysatorschicht (16) angeordnet 1st, die sich über den ganzen Innendurchmesser des Mantels (1) erstreckt.

2. Reaktor zur katalytlschen Umwandlung von Kohlenoxide, Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Gasen zu Methan bei Temperaturen zwischen etwa 250 und 55O°C und Drücken von ca. 10 bis 80 bar, bestehend aus einem Im wesentlichen zylindrischen Außenmantel, einem Innenbehälter, einem Gaseintritt und einem Gasaustritt an der oberen bzw. unteren Stirnseite des Mantels, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (6) im durchströmbaren Abstand von der Innenseite des Mantels (1) angeordnet und Im Bereich der Elnt.rittsöffnung (2) gasundurchlässig ausgebildet ist, der obere Mantelteil (6a) des Innenbehälters, der den größten Teil des Katalysators aufnimmt, ebenso wie das zentrale Gassammelrohr (8) eine große Anzahl von Gasdurchtrlttsöffnungen aufweist, daß zwischen dem Innenbehälter (6) und dem Gasaiistrltt (3) zwei Katalysatorschichten (11, 16) angeordnet sind, wobei die dem innenbehälter näher gelegene, auf einem Rost (12) angeordnete Katalysatorschicht (11) das zentrale Gassammeirohr (8) umgibt und bis zum Außenmantel (1) reicht, das Rohr (8) in einer gasundurchlässigen Haube (13) endet, deren größter Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Mantels (1) Ist und mit diesem einen bis zum Gasaustritt (3) durchströmbaren Ringraum (14) bildet und daß die dem Gasaustritt (3) nächstgelegene Katalysatorschicht (16) Innerhalb der Haube angeordnet und auf gasdurchlässigem Stützmaterial (15) verteilt Ist.