DE2705673A1 - Catalytic syntheses with high yields - suitable for mfg. ammonia, methane, methanol, or the conversion of carbon monoxide - Google Patents

Catalytic syntheses with high yields - suitable for mfg. ammonia, methane, methanol, or the conversion of carbon monoxide

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DE2705673A1 DE19772705673 DE2705673A DE2705673A1 DE 2705673 A1 DE2705673 A1 DE 2705673A1 DE 19772705673 DE19772705673 DE 19772705673 DE 2705673 A DE2705673 A DE 2705673A DE 2705673 A1 DE2705673 A1 DE 2705673A1
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Abstract

A reversible, exothermic, gas-phase reaction is undertaken where a gas stream contg. one or more reactants is fed through >=1 catalyst zones to obtain >=1 prods. The gas stream is fed at temp. (T1) into a first reaction zone (R1) using adiabatic conditions so as higher temp. (T2) is attained; T2 is lower than the inactivation temp. of the catalyst. The gas at T2 then flows into a second zone (R2) provided with continuous external cooling to obtain a prod. mixt. leaving zone (R2) at temp. (T3) which is lower than T2. The gas may be recycled through the process and T3 is pref. max. T1. The initial gas is pref. a mixt. of (a) N2 and H2 for mfg. NH3; or (b) H2 and CO for mfg. methanol; or (c) COx and H2 for mfg. methane; or (d) H2 and CO, and using a CO conversion catalyst. Improved yields in the synthesis of cpds. such as CH3 OH or NH3 are obtd. For example, the % of NH3 in the outlet gas can be raised to 20% c.f. 16.5-17.5% obtd. in conventional processes.

Description

gatalytisches Verfahren gatalytisches procedure

Die Erfindung betrifft ein katalytisches Verfahren, insbesondere zur Durchfuhrung von reversiblen exothermen Gasphasenreaktionen, die durch feste Katalysatoren katalysiert werden. The invention relates to a catalytic process, in particular for carrying out reversible exothermic gas phase reactions that are caused by solid Catalysts are catalyzed.

Typische Beispiele solcher reversiblen exothermen Gasphasenreaktionen, die in technischem Maßstab Anwendung finden, sind die Nethanierung, Methanolsynthese, Bmmoniaksynthese und die CO-Konvertierung, um nur einige wenige zu nennen. Typical examples of such reversible exothermic gas phase reactions, which are used on an industrial scale are methanation, methanol synthesis, Ammonia synthesis and CO conversion, to name just a few.

Es wurde schon vor langer Zeit erkannt, daß die Produktausbeute bei einer reversiblen exothermen Gasphasenreaktion gering ist, obgleich hohe Temperaturen für hohe Reaktionsgeschwindigkeiten förderlich sind und die Reaktion bis in Gleich gewichtsnähe fortschreiten kann. Wenn auf der anderen Seite die Temperatur herabgesetzt wird, sind die Reaktionsgeschwindigkeiten kleiner, wenngleich die Reaktion zu einer gunstigeren Produktausbeute und Reaktionsmittelumsetzung und ebenfalls in die Nähe des Gleichgewichts führt. Die Folge ist, daß ein entsprechend größeres Katalysatorvolumen eingesetzt werden ms R. It was recognized long ago that the product yield was reversible exothermic gas phase reaction is small, albeit high temperatures for high reaction speeds are conducive and the response can progress to near equilibrium. If on the other hand the temperature is decreased, the reaction rates are slower although the reaction is to a more favorable product yield and reagent conversion and likewise close to equilibrium. The result is that a correspondingly larger Catalyst volume can be used ms R.

Es ist ferner allgemein anerkannt, daß man bei einem gegebenen Reaktionssystem und einer gegebenen Eingangsgaszusammensetzung einen maximalen Umsatz erzielen kann, wenn die Temperatur längs des Weges der Reaktionsmittelgase so kontrolliert wird, daß die Reaktionsgeschwindigkeit an j Jedem Punkt des Reaktionsweges bei den in jenem Punkt herrschenden Konzentrationswerten möglichst hoch ist. It is also generally accepted that for a given reaction system and a given input gas composition can achieve a maximum conversion, when the temperature along the path of the reactant gases is so controlled that the reaction rate at j Every point of the reaction path in the in concentration values prevailing at that point is as high as possible.

Es gibt viele Vorschläge, die Gaszusammensetzung und das Temperaturprofil der Reaktanten bei ihrem Durchgang durch ein Katalysatorbett oder durch Katalysatorbetten zum Zwecke optimaler Reaktionsbedingungen unter Kontrolle zu halten. Die Erreichung optimaler Reaktionsbedingungen ist Jedoch bei allen bekannten Vorschlägen bestenfalls eine Annäherung. There are many suggestions, the gas composition and the temperature profile of the reactants as they pass through a catalyst bed or beds to keep under control for the purpose of optimal reaction conditions. The achievement However, optimal reaction conditions are at best in all known proposals an approximation.

Auf dem Gebiet der Ammoniakherstellung wurde Beispiels weise ein überblick der verfügbaren Verfahren von J. B. Allen angegeben (Chemical and Process Engineering, September 1965, Seiten 473 bis 483). Figur 6 auf Seite 477 dieses Artikels zeigt typische Temperaturprofile für verschiedene Reaktorkonstruktionen. Diese umfassen auch adiabatische Reaktionsstufen mit mehreren Betten entweder mit indirekter Kühlung zwischen den Stufen ("indirekte Abschreckkühlung") oder mit Einfrung von Kaltgas zwischen den Stufen ("direkte Abschreckkühlung" oder "Cold Shot1). Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, zeigen beide Lösungen beträchtliche Temperaturabweichungen von der idealen Reaktionsgeschwindigkeitskurve. Wie in dem Artikel zugegeben wird, sind solche Kühlkonverter bei der Katalysatorausnutzung nicht so leistungsfähig wie andere tonstruktionen, wie z.B. die sogenannte "rohrgekühlte" Konstruktion. In the field of ammonia production, an example was used Overview of available procedures given by J. B. Allen (Chemical and Process Engineering, September 1965, Pages 473 to 483). Figure 6 on page 477 of this article shows typical temperature profiles for various reactor designs. These also include adiabatic reaction stages with multiple beds with either indirect cooling between the stages ("indirect quench cooling") or with freezing of cold gas between the stages ("direct quench cooling" or "cold shot1). How As can be seen from the drawing, both solutions show considerable temperature deviations from the ideal response rate curve. As admitted in the article, such cooling converters are not as efficient in terms of catalytic converter utilization like other clay constructions, such as the so-called "pipe-cooled" construction.

Der prozentuale Umsatz des Stickstoffs zu Ammoniak in Jeder adiabatischen Stufe ist gewöhnlich ziemlich gering (z.B. in dem Bereich von etwa 5 bis etwa 20 % Umsatz Je Durchgang), und hohe Umsätze erfordern zahlreiche Durchgänge durch den Katalysator jeweils mit einer anschließenden Kühlstufe. Dies fuhrt zu hohen Anlage und Betriebskosten.The percentage conversion of nitrogen to ammonia in each adiabatic Level is usually quite low (e.g. in the range of about 5 to about 20 % Sales per pass), and high sales require numerous passes through the Catalyst in each case with a subsequent cooling stage. This leads to high investment and operating costs.

Bei einem "rohrgekühlten" Konverter werden die Reaktionsmittelgase vor dem Überleiten über den Katalysator durch Hindurchleiten durch Katatalysatorbett-Kühlrohre vorgewärmt. With a "tube-cooled" converter, the reactant gases are before passing over the catalyst by passing it through catalyst bed cooling tubes preheated.

Bei dieser Anordnung werden gleichzeitig eine Gegenstrom- oder Gleichstromvorwar.ng der Reaktanten und eine BettkUhlung erreicht. Da die Konstruktion aber eine interne Kühlung durch die Reaktionsmittelgase selbst beinhaltet, ist die Wärmeabfuhrgeschwindigkeit durch die Wärmekapazität des ankommenden Gases beschränkt. Da sich das Temperaturprofil der idealen Reaktionsgeschwindigkeitskurve enger anschmiegt, sind diese rohrgekühlten Konverter im Vergleich zu Konvertern mit Abschreckkühlung hinsichtlich der Katalysatorausnutzung leistungsfähiger.With this arrangement, a countercurrent or direct current advance warning of the reactants and a bed cooling achieved. But since the construction is an internal Cooling by the reactant gases themselves is the rate of heat removal by the heat capacity of the incoming gas is limited. As the temperature profile closer to the ideal reaction rate curve, these are tube-cooled Converters compared to converters with quench cooling in terms of catalyst utilization more powerful.

Eine weitere Übersicht über Ammoniaksynthesereaktoren enthält der Artikel über Ammoniak in Ulliazin Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Aufl. (1973), M. 7, Seiten 445 bis 513, erschienen im Verlag Chemie GmbH. A further overview of ammonia synthesis reactors is contained in Article on ammonia in Ulliazin Encyclopedia of Technical Chemistry, 4th ed. (1973), M. 7, pages 445 to 513, published by Verlag Chemie GmbH.

Es wurde auch vorgeschlagen, in einem rohrgekühlten Reaktor, der besonders ftir die Methanolsynthese geeignet ist, als erste Reaktionsstufe eine adiabatische Stufe vorzusehen. It has also been suggested to use a tube-cooled reactor that is particularly suitable for the synthesis of methanol, as the first reaction stage Adiabatic stage to be provided.

Dieser Vorschlag ist beispielsweise dargestellt in Figur 5 auf Seite 387 in M. 13 von Kirk-Othmer, Encyclopaedia of Chemical Technology, 2. Aufl., erschienen bei John Wiley & Sons, lnc. Wie bei einem einfachen rohrgekühlten Reaktor ist die Wårmemenge, die von der zweiten Katalysatorbettstufe, d.h.This proposal is shown, for example, in FIG. 5 on page 387 in M. 13 by Kirk-Othmer, Encyclopaedia of Chemical Technology, 2nd ed., Published at John Wiley & Sons, Inc. Like a simple tube-cooled reactor the amount of heat recovered from the second stage catalyst bed, i.

dem rohrgekühlten Bett, abgeführt werden kann, durch die Wärmekapazität des Eingangsgases begrenzt.the tube-cooled bed, can be removed by the heat capacity of the inlet gas limited.

Eine spezifische Beschränkung eines rohrgekühlten Reaktors und Jedes anderen Reaktortyps unter Verwendung des Eingangsgases als internes Kühlmittel ist - wie bereits erwähnt -die Wärmekapaität des Eingangsgases. Bei stark exothermen Reaktionen kann diese Beschränkung bis zu einem gewissen Maße durch Minderung der Eingangsgaszusammensetzung behoben werden, wobei man die wirksame Konzentration eines oder mehrerer Reaktanten verringert und/oder das Volumen der inerten Bestandteile erhöht. So können beispielsweise die Reaktionsmittel mit kaltem Produktgas verdünnt werden. Dies erfordert Jedoch einen großen Riickführkreis mit den damit verbundenen hohen Anlage-und Betriebskosten durch große Rückführgebläse und/oder -kompreesoren. A specific limitation of a pipe-cooled reactor and each another type of reactor using the inlet gas as internal coolant - as already mentioned -the Heat capacity of the input gas. at highly exothermic reactions can cause this limitation to a certain extent Reduction of the inlet gas composition can be remedied, whereby the effective Reduced concentration of one or more reactants and / or the volume of the inert components increased. For example, the reactants with cold Product gas can be diluted. However, this requires a large feedback loop the associated high system and operating costs due to large recirculation fans and / or compresors.

Eine weitere gonverterart zur Durchführung reversibler exothermer Gasphasenreaktionen ist der sogenannte pseudo-isotherme Konverter. Bei dieser Konverterart, die auf dem Gebiet der Methanolsynthese großtechnisch Eingang gefunden hat, wird das Katalysatorbett durch ein zirkulierendes Kühlmittel äußerlich gekühlt, Es kann Verdampfungskühlung oder Kehlung ohne Verdampfung angewendet werden; bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel kann der erzeugte Hochdruck- oder Niederdruckdampf irgendwo in der Anlage eingesetzt oder an der Anlagengrenze zum Einsatz bei anderen Verfahren abgegeben werden. Da die Reaktionswärme durch das Kühlmittel kontinuierlich abgeführt wird, ist der Anfangstemperaturanstiq längs des Reaktionsweges geringer als bei einem adiabatischen Bett, und daher ist die Geschwindigkeit der Annäherung an die Kurve maximaler Reaktionsgeschwindigkeit langsamer als bei einem adiabatischen Bett. Demzufolge ist die Katalysatorauenutzung bei diesem System verhältnismäßig wenig effektiv. Another type of converter for performing reversible exotherms Gas phase reactions is the so-called pseudo-isothermal converter. With this type of converter, which has found industrial entry in the field of methanol synthesis, is the catalyst bed is cooled externally by a circulating coolant, it can Evaporative cooling or cooling can be used without evaporation; Using of water as a coolant, the high pressure or low pressure steam generated can be anywhere used in the system or at the system boundary for use in other processes be delivered. Because the heat of reaction is continuously dissipated by the coolant is, the initial temperature rise along the reaction path is lower than for an adiabatic bed, and therefore the speed of approach to the Maximum response rate curve slower than that of an adiabatic Bed. As a result, the catalyst utilization is relatively little in this system effectively.

Bei einem durch Verdampfung gekfihlten pseudo-isothermen Konverter ist die Kühlmitteltemperatur auf der gesamten Länge des Reaktionsweges im wesentlichen konstant. Es ist ratsam, daß die Kühlmitteltemperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators, d.h. der effektiven Mindesttemperatur des Eatalysatorbetriebs, liegt, um der Abschreckung der Reaktion am Eingang des Bettes infolge der Kühlwirkung des Kühlmittels entgegen zu wirken, wenn im Verlaufe der Katalysatoralterung die Abschreckung die Geschwindigkeit der Wärmeentwicklung am Eingangsende übersteigt. Auf dem Wege der Reaktionsteilnehmer durch das Bett nimmt die Temperatur des Gasgemisches bis zu einem Maximum zu (der "Hot Spot"); dann nimmt sie ab, da sich die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt, und die durch das Kühlmittel herbeigeführte Eühlwirkung übersteigt die Geschwindigkeit der exothermen Wärmeentwicklung. Bei der Alterung des Katalysators bewegt sich dieser Hot Spot längs des Bettes von dem Eingangsende weg. Dies kann die Konverterkonstruktion erschweren, da die Bewegung des Hot Spot und die Katalysatoralterung am Eingangsende des Bettes zulässig sein müssen. With a pseudo-isothermal converter cooled by evaporation is the coolant temperature over the entire length of the reaction path essentially constant. It is advisable that the coolant temperature be above the light off temperature of the catalytic converter, i.e. the effective minimum temperature of the catalytic converter operation, is to deter the reaction at the entrance of the bed due to the cooling effect to counteract the coolant if in the course of the catalyst aging the Quenching exceeds the rate of heat build-up at the entrance end. As the reactants pass through the bed, the temperature of the gas mixture increases up to a maximum (the "hot spot"); then it decreases as the reaction rate increases slowed down, and exceeds the cooling effect brought about by the coolant the rate of exothermic heat generation. With the aging of the catalytic converter this hot spot moves along the bed away from the entrance end. This can complicate the converter construction because of the movement of the hot spot and the aging of the catalyst must be allowed at the entrance end of the bed.

Bis zu einem gewissen Grade können diese Probleme durch Gegenstromkkhlung ohne Verdampfung gelöst werden. Auf diese Weise kann die Austrittstemperatur des gühlmitter s immer so gewählt werden, daß sie die Anspringtemperatur des Katalysators übersteigt und mögliche Abschreckschwierigkeiten vermieden werden. Trotzdem bleiben die bei der Katalysatoralterung mit der Verschiebung des Kot Spot längs des Katalysatorbettes verbundenen Probleme bestehen. To some extent, these problems can be overcome by countercurrent cooling can be dissolved without evaporation. In this way, the outlet temperature of the gühlmitter s always like that be chosen so that they match the light-off temperature of the catalyst and possible quenching difficulties are avoided. Nevertheless, they remain with the aging of the catalyst with the shifting of the droppings spot there are problems associated along the catalyst bed.

Eine Ausführungsform eines windirekten" Abschreckkühlkonverters ist in der US-PS 2 898 183 dargestellt. One embodiment of a wind direct "quench cooling converter" is shown in U.S. Patent 2,898,183.

Ein Beispiel eines Ammoniakkonverters des Cold Shot-Typs ist dargestellt in Figur 24 auf Seite 287 von Bd. 2 in tirk-Othmer, Encyclopaedia of Chemical Technology, 2. Aufl. Andere Ausführungsformen von konverter des Cold Shot-fZps sind batspielsweise beschrieben in US-PS 3 254 967 und GB-PS 1 213 045. An example of a cold shot type ammonia converter is shown in Figure 24 on page 287 of Vol. 2 in tirk-Othmer, Encyclopaedia of Chemical Technology, 2nd edition. Other embodiments of converters of the Cold Shot fZps are bat play-wise described in U.S. Patent 3,254,967 and British Patent 1,213,045.

Konverter mit unterschiedlich ausgefUhrter interner Kühlung sind beispielsweise beschrieben in GB-PSen 1 272 001, 1 356 151 und 1 387 044 und in der US-PS 3 440 021. Converters with different internal cooling for example described in GB-PS 1,272,001, 1,356,151 and 1,387,044 and in U.S. Patent 3,440,021.

Pseudo-isotherme Reaktoren mit Verdampfungskühlung sind beschrieben in den GB-PBen 1 219 973 und 1 223 761 und in der US-PS 2 662 911. Ein vielstufiger Reaktor mit einzeln gekühlten Stufen ist beschrieben und dargestellt in der US-PS 2 590 436 Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, die oben erläuterten bekannten Reaktoren und Verfahren zu verbessern. Pseudo-isothermal reactors with evaporative cooling are described in GB-PBs 1,219,973 and 1,223,761 and in US-PS 2,662,911. A multi-stage The individually cooled stage reactor is described and illustrated in U.S. Patent 2 590 436 The present invention is therefore based on the object of known reactors and processes discussed above to improve.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine reversible, exotherme Gasphasenreaktion katalytisch durchzuführen unter adiabatischen Bedingungen in einer ersten Reaktionszone zu einem heißen gleichgewichtsnahen Gasgemisch, woran sich eine außengekühlte zweite abströmseitig angeordnete Reaktionszone anschließt, so daß die Reaktionstemperatur fortlaufend verringert wird. Auf diese Weise werden die Reaktionswärme und die fühlbare Wärme des Gasgemisches bei der Gasströmung durch die zweite Reaktionszone in zunehmendem Maße abgeführt, so daß sich insgesamt eine Verbesserung der Reaktionskinetik ergibt. According to the invention, a reversible, exothermic gas phase reaction is proposed to be carried out catalytically under adiabatic conditions in a first reaction zone to a hot, near-equilibrium gas mixture, which is followed by an externally cooled second The reaction zone arranged on the downstream side is connected, so that the reaction temperature is continuously reduced. In this way, the heat of reaction and the palpable The heat of the gas mixture increases as the gas flows through the second reaction zone Dimensions removed, so that there is an overall improvement in the reaction kinetics.

Erfindungagemäß ist ein Verfahren zur Durch£uhrung einer reversiblen exothermen Gasphasenreaktion vorgesehen, bei der ein oder mehrere gasförmige Reaktionsteilnehmer exotherm und reversibel unter Bildung von einem oder mehreren gasförmigen Produkten reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß man einen gasförmige Reaktionsteilnehmer enthaltenden Beschickungsstrom mit einer ersten Temperatur einer ersten Reaktionszone zuführt, die einen für die gatalyse der exothermen Reaktion bei der ersten Temperatur wirksamen Katalysator enthält, den Beschickungsstrom unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen in der ersten Reaktionszone reagieren läßt, aus der ersten Reaktionszone ein Gasgemisch bei einer zweiten Temperatur abzieht, die höher als die erste Temperatur ist, das Gasgemisch bei im wesentlichen der zweiten Temperatur einer zweiten Reaktionszone zuführt, die einen für die Katalyse der exothermen Reaktion bei der zweiten Temperatur wirksamen Katalysator enthält, die Reaktionswärme aus dem Gasstrom bei dessen Durchgang durch die zweite Reaktionszone durch äußeren Wårmeaustausch mit einem Kühlmittel fortlaufend abführt und aus der zweiten Reaktionszone bei einer dritten Temperatur, die niedriger als die zweite Temperatur ist, ein produkthaltiges Gasgemisch abzieht, wobei die erste Temperatur und die Zusammensetzung des Beschickungsstroms so gewählt sind, daß die zweite Temperatur unterhalb der Inaktivierungstemperatur des Katalysators oder der Katalysatoren der ersten und zweiten Reaktionszone gehalten wird. According to the invention, a method for carrying out a reversible Exothermic gas phase reaction provided in which one or more gaseous reactants exothermic and reversible with the formation of one or more gaseous products react, characterized in that there is a gaseous reactant feed stream containing a first temperature of a first reaction zone supplies the one for the gate analysis of the exothermic reaction at the first temperature contains effective catalyst, the feed stream under essentially adiabatic conditions Allows conditions in the first reaction zone to react, from the first reaction zone withdraws a gas mixture at a second temperature which is higher than the first temperature, the gas mixture at substantially the second temperature a second reaction zone is fed, one for catalyzing the exothermic reaction contains effective catalyst at the second temperature, the heat of reaction from the gas stream as it passes through the second reaction zone by external heat exchange discharges continuously with a coolant and from the second reaction zone at a third temperature, which is lower than the second temperature, contains a product Gas mixture withdraws, the first temperature and the composition of the feed stream are chosen so that the second temperature is below the inactivation temperature of the catalyst or catalysts of the first and second reaction zones held will.

Die Erfindung schafft ferner einen Apparat zur Durchführung einer reversiblen exothermen Gasphasenreaktion, bei der ein oder mehrere gasförmige Reaktanten exotherm und reversibel miteinander unter Bildung von einem oder mehreren gasförmigen Produkten reagieren, gekennzeichnet durch einen ersten, eine erste Reaktionszone bestimmenden Reaktor, der einen ersten, für die Katalyse der Reaktion wirksamen Katalysator enthält, Beschickungsmittel für die Zuführung eines gasförmige Reaktionsmittel enthaltenden Beschickungsstroms bei einer Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators des ersten Katalysatorbettes, einen zweiten, eine zweite Reaktionszone bestimmenden Reaktor, der ein zweites für die Katalyse der Reaktion wirksames Katalysatorbett enthält, wobei die zweite Reaktionszone mit der ersten Reaktionszone verbunden ist, der zweiten Reaktionszone zugeordnete Wärmeaustauscher, die zur Abführung der in der zweiten Reaktionszone entwickelten Wärme dienen und mit dieser Zone im Wärmeaustausch stehen, Mittel für die Zuführung eines Kühlmittels zu den W"armeaustauschern und Mittel zur Bbrühmug eines das Gasprodukt enthaltenden Stroms aus der zweiten Reaktionszone, wobei im Betrieb das gasförmige Reaktionsmittel oder die gasförmigen Reaktionsmittel der ersten Reaktionszone mit einer Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des ersten Katalysatorbettes zugeführt werden bei einer Reaktion in der ersten Reaktionszone unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen und einem Austritt aus der Zone bei einer zweiten Temperatur oberhalb der ersten Temperatur, Jedoch unterhalb der Inaktivierungstemperatur des Katalysators oder der Katalysatoren der ersten und zweiten Reaktionszone, und wobei das Gasgemisch aus der ersten Reaktionszone im wesentlichen mit der zweiten Temperatur der zweiten Reaktionszone zur weiteren Umsetzung zugeführt wird und die WireeauRtauscher zur fortlaufenden Abführung der Reaktionswärme aus dem Gasgemisch bei dessen Durchgang durch die zweite Reaktionszone dienen, so daß das Gemisch mit einer dritten Temperatur aus dieser Zone austritt, die unterhalb der zweiten Temperatur liegt, und aus der zweiten Reaktionszone ein das gasförmige Produkt enthaltendes Gemisch gewonnen wird. The invention also provides an apparatus for performing a reversible exothermic gas phase reaction in which one or more gaseous reactants exothermic and reversible with each other with the formation of one or more gaseous Products react, characterized by a first, a first reaction zone determining reactor, the first one, effective for catalyzing the reaction catalyst contains, feed means for the supply of a gaseous reactant containing Feed stream at a temperature above the catalyst light-off temperature of the first catalyst bed, defining a second, second reaction zone Reactor containing a second catalyst bed effective for catalyzing the reaction contains, wherein the second reaction zone is connected to the first reaction zone, heat exchangers assigned to the second reaction zone, which are used to remove the in the heat developed in the second reaction zone serve and with this zone in heat exchange stand, means for supplying a coolant to the heat exchangers and Means for brewing a stream containing the gas product from the second reaction zone, wherein, during operation, the gaseous reactant or the gaseous reactants the first reaction zone at a temperature above the light-off temperature of the are fed to the first catalyst bed in a reaction in the first reaction zone under essentially adiabatic conditions and an exit from the zone at a second temperature above the first temperature, but below that Inactivation temperature of the catalyst or the catalysts of the first and second reaction zone, and wherein the gas mixture from the first Reaction zone essentially at the second temperature of the second reaction zone for further implementation and the wire exchanger for ongoing Removal of the heat of reaction from the gas mixture as it passes through the second Serve reaction zone so that the mixture with a third temperature from this Exits zone which is below the second temperature, and from the second reaction zone a mixture containing the gaseous product is obtained.

Gewöhnlich sind die Eingangsgaszusammensetzung und die Eingangstemperatur der ersten adiabatiachen Reaktionszone so gewählt, und die erste Reaktionszone ist so ausgelegt, daß sich an ihrem Abströmende durch die Reaktion ein heißes, gleichgewiehtsnahes Gemisch gebildet hat. Dieses gleichgewichtsnahes Gemisch dient dann als Beschickung für die zweite Reaktionszone, wobei die Wärmeabfuhr durch das äußere Kühlmittel eine Veränderung des gleichgewichtsnahen Gemisches dadurch verursacht, daß eine stetige Temperaturabnahie längs des Eatalysatorbettes herbeigeführt und so weitere Umsetzung zu dem gewünschten Produkt ermöglicht wird. Eine ungekühlte erste Reaktionszone unter im wesentlichen adiabatischen Bedingungen (bei Vernachlässigung von Wårmeverlusten, die in der Praxis unvermeidlich sind) ermöglicht es, daß die Reaktion mit der größtmöglichen Geschwindigkeit auf die Temperatur/Zusammenset zungsbedingungen der maximalen Katalysatoraktivität zuläuft, so daß sich eine maximale gatalysatorausnutzung ergibt. The inlet gas composition and inlet temperature are common the first adiabatic reaction zone is chosen, and the first reaction zone is designed in such a way that the reaction creates a hot, equal weight at its outlet end Mixture has formed. This near-equilibrium mixture then serves as feed for the second reaction zone, the heat dissipation through the external coolant a change in the near-equilibrium mixture caused by the fact that a constant temperature decrease along the catalyst bed brought about and so more Implementation to the desired product is made possible. An uncooled first reaction zone under essentially adiabatic conditions (neglecting heat losses, which are unavoidable in practice) enables the reaction to occur with the greatest possible Speed on temperature / composition terms and conditions the maximum catalyst activity increases, so that the maximum utilization of the catalyst results.

Wenn die Bedingungen in der ersten Reaktionszone so sind, daß die Reaktion auf einen gleichgewichtsnshen Zustand zuläuft, kann die Austrittstemperatur aus der ersten Reaktionszone, d.h. die zweite Temperatur, genau vorausbestimmt werden, wenn die entsprechenden thermodynamischen Daten verfügbar sind. When the conditions in the first reaction zone are such that the Reaction to a state of equilibrium, the outlet temperature from the first reaction zone, i.e. the second temperature, are precisely determined in advance, when the appropriate thermodynamic data are available.

Auf diese Weise wird die zweite Reaktionszone mit einem Gas strom von bekannter vorbestimmter Temperatur und Zusammensetzung beschickt, und - da der Hot Spot in der ersten und nicht in der zweiten Reaktionszone liegt - die Konstruktion des Behälters für die zweite Reaktionszone wird erleichtert.In this way, the second reaction zone is with a gas stream charged of known predetermined temperature and composition, and - since the The hot spot lies in the first and not in the second reaction zone - the construction the container for the second reaction zone is facilitated.

Die Kühlung kann in der zweiten Reaktionszone bis auf irgendeine gewünschte Austrittstemperatur (dritte Temperatur) erfolgen. Vorsugsweise wird die Kühlmittelzuführung so gesteuert, daß die Temperatur/Zusammensetzungsbedingungen in der zweiten Reaktionszone auf oder nahe an der Linie der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit gehalten werden. Auf diese Weise wird die Wirksamkeit der Katalysatorausnutzung in der zweiten Reaktionszone maximiert. The cooling can in the second reaction zone except for any desired outlet temperature (third temperature). As a precaution, the Coolant supply controlled so that the temperature / composition conditions in the second reaction zone at or near the line of the maximum reaction rate being held. In this way, the efficiency of the catalyst utilization will be increased maximized in the second reaction zone.

In gewissen Fällen wird man es begrüßen, wenn die erste Reaktionszone so ausgelegt wird, daß die Temperatur nicht in der ersten Reaktionszone ihre Spitze erreicht, sondern statt dessen am Eingangsende der zweiten ReaktionJzone weiter schwach ansteigt. In solchen Fällen liegt der Hot Spot in der zweiten Reaktionszone, und die zweite Temperatur (d.h. die Austrittstemperatur der ersten Reaktionszone) kann auf einem Temperatur/Zusammensetzungsdiagramm auf der gegenüberliegenden Seite der Kurve maximaler Reaktionsgeschwindigkeit von der Gleichgewichtskurve liegen. Natürlich wird man nur dann die erste Reaktionszone in dieser Weise mit Vorteil auslegen, wenn es möglich ist, sich der Kurve maximaler Geschwindigkeit besser anzunähern als wenn man die Reaktion in der ersten Reaktionszone adiabatisch im wesentlichen bis zum Gleichgewicht laufen läßt, so daß der Hot Spot in der ersten Reaktionszone eintritt und der zweiten Temperatur entspricht. Bei der Alterung des Katalysators kann es auch geschehen, daß der Hot Spot sich zum Eintrittsende der gekühlten zweiten Zone vorschiebt, obgleich er nach Auslegung in der ersten Reaktionszone liegen sollte. In certain cases it will be appreciated if the first reaction zone is designed so that the temperature does not peak in the first reaction zone reached, but instead its at the entrance end of the second reaction zone continues to rise slightly. In such cases the hot spot is in the second reaction zone, and the second temperature (i.e. the exit temperature of the first reaction zone) can be found on a temperature / composition diagram on the opposite page the curve of maximum reaction rate from the equilibrium curve. Of course, only then will one benefit from the first reaction zone in this way if it is possible to get closer to the curve of maximum speed as if the reaction in the first reaction zone was essentially adiabatically runs to equilibrium so that the hot spot is in the first reaction zone occurs and corresponds to the second temperature. With the aging of the catalytic converter it can also happen that the hot spot is at the inlet end of the cooled second Zone advances, although by design it should be in the first reaction zone.

Da Jedoch die adiabatische Reaktion gewöhnlich sehr schnell bis zu einem gleichgewichtsnahen Zustand abläuft, ist der Unterschied zwischen der zweiten Temperatur und der Spitzentemperatur des Hot Spot - wenn sie überhaupt besteht - gewohnlich sehr klein, z.B. in der Größenordnung von 10 bis 20 °C oder dergl., so daß der Hot Spot dicht am Eingangsende der zweiten Reaktionazone bleibt und so die Auslegung der zweiten Reaktionszone vereinfacht.However, since the adiabatic response is usually very fast up to is the difference between the second Temperature and the peak temperature of the hot spot - if it exists at all - usually very small, e.g. on the order of 10 to 20 ° C or the like, see above that the hot spot remains close to the entrance end of the second reaction zone and so the Design of the second reaction zone simplified.

Bei einer zweckmäßigen Busiührungsionn sind die erste und die zweite Reaktionszone aneinandergrenzende Teile eines Pfroptströmungsreaktors. In dem ersten Teil des Reaktors nahe dem Eintrittsende erfolgt die Reaktion im wesentlichen adiabatisch, und die Temperatur steigt beim Gasdurchgang längs des Bettes an. In an expedient management, the first and the second Reaction zone adjoining parts of a plug flow reactor. In the first Part of the reactor near the inlet end, the reaction takes place essentially adiabatically, and the temperature rises as the gas passes along the bed.

In der ersten adiabatischen Reaktionszone kann der Umsatz des Ausgangsmaterials in das Produkt infolge der erreichten hohen Temperatur gering sein, die die Gleichgewichtskonzentration des gewünschten Produktes beschränkt. Durch den Anschluß einer Kühlstufe an diese adiabatische Stufe wird die Reaktionswärme in zunehmendem Maße aus dem Gasstrom abgefuhrt, die Temperatur wird fortlaufend verringert, das Gleichgewicht wird verschoben, und eine weitere Umsetzung zu dem gewünschten Produkt kann erfolgen. Da die Reaktionswärme nun kontinuierlich abgeführt wird, schreitet auch die Reaktion fort, vorausgesetzt, daß das Katalysatorbett ausreichend groß ist, bis die reagierenden Gase soweit abgekühlt sind, daß entweder die Reaktion zum Stillstand kommt oder beendet ist. In the first adiabatic reaction zone, the conversion of the starting material can in the product will be low as a result of the high temperature reached, which is the equilibrium concentration of the desired product. By connecting a cooling stage to this In the adiabatic stage, the heat of reaction is increasingly derived from the gas stream dissipated, the temperature is continuously reduced, the equilibrium is shifted, and a further conversion to the desired product can take place. Because the heat of reaction is now continuously discharged, the reaction also proceeds, provided that that the catalyst bed is sufficiently large for the reacting gases to cool down are that either the reaction comes to a standstill or has ended.

Nach einer anderen Ausfuhrungsform sind die erste und die zweite Reaktionszone getrennte Reaktionsbehälter. According to another embodiment, the first and the second Reaction zone separate reaction vessels.

Der Katalysator der ersten Reaktionszone kann mit dem der zweiten Reaktionszone identisch oder von ihm verschieden sein, in welchem Falle die zweite Temperatur auch unter der Inaktivierungstemperatur des Katalysators der zweiten Zone liegen muß. Jeder Katalysator, der sich für die betr. Reaktion eignet, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. The catalyst of the first reaction zone can with that of the second Reaction zone identical or different from it be in which Fall the second temperature also below the inactivation temperature of the catalyst must lie in the second zone. Any catalyst that works for the reaction in question suitable can be used in the process according to the invention.

Die Reaktion kann irgendeine reversible exotherme Gasphasenreaktion sein, und es kann irgendein geeigneter fester Katalysator eingesetzt werden. Reaktionen von besonderem Interesse sind Jedoch die Nethanierung (Methanbildung) von Eohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid, die Methanolsynthese aus Kohlenmonoxid, die Kohlenmonoxidkonvertierung und die Ammoniaksynthese. The reaction can be any reversible gas phase exothermic reaction and any suitable solid catalyst can be used. Reactions Of particular interest, however, are the methanation (methane formation) of carbon monoxide and / or carbon dioxide, methanol synthesis from carbon monoxide, carbon monoxide conversion and the synthesis of ammonia.

Kohlenmonoxid und Wasserstoff reagieren zusammen gemäß der reversiblen Reaktion Die Hinreaktion (Methanierung) kann zur Bildung eines Ersatzerdgases dienen, während die Rückreaktion als Dampfreformierung des Methans bekannt ist und eine wichtige Basis für die Synthesegasherstellung ist. Eine ähnliche Reaktion erfolgt zwischen Kohlendioxid und Wasserstoff gemäß der Reaktionsgleichung Diese Umsetzungen (1) und (2) können unter Atmosphärendruck oder erhöhten Druck durchgeführt werden. Niedrige Temperaturen, z.B. in dem Bereich von etwa 180 bis etwa 400 °C, begünstigen die stark exotherme Methanierungsreaktion, während hohe Temperaturen, gewöhnlich in dem Bereich von etwa 750 bis etwa 900 OC, die endotherme Rückreaktion fördern. Geeignete Katalysaroren für die Reaktionen (1) und (2) sind die Katalysatoren mit einem Gehalt an Metall der Gruppe VIII, wie Nickeloxid-Trägerkatalysatoren, z.B. ein Katalysator aus Nickel auf Aluminiumoxid.Carbon monoxide and hydrogen react together according to the reversible reaction The forward reaction (methanation) can be used to form a replacement natural gas, while the reverse reaction is known as the steam reforming of methane and is an important basis for the production of synthesis gas. A similar reaction occurs between carbon dioxide and hydrogen according to the reaction equation These reactions (1) and (2) can be carried out under atmospheric pressure or elevated pressure. Low temperatures, for example in the range from about 180 to about 400 ° C., promote the highly exothermic methanation reaction, while high temperatures, usually in the range from about 750 to about 900 ° C., promote the endothermic reverse reaction. Suitable catalysts for reactions (1) and (2) are the catalysts containing a Group VIII metal, such as supported nickel oxide catalysts, for example a catalyst composed of nickel on aluminum oxide.

Andere Methanierungskatalysatoren sind Katalysatoren auf Basis von Ruthenium, Platin und Palladium.Other methanation catalysts are catalysts based on Ruthenium, platinum and palladium.

Bei der Durchführung der Methanierungsreaktion in größerem Umfang zur Erzeugung eines Ersatzerdgases entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält der Beschickungsstrom ein Gemisch aus einem oder mehreren Kohlenoxiden, vorzugsweise Kohlenmonoxid alleine, und Wasserstoff. Der Katalysator der ersten und der zweiten Reaktionszone ist ein nethanierungskatalysator, z.B. einer der vorerwähnten Methanierungskatalysatoren, und die erste und die zweite Temperatur sind wenigstens so hoch wie die Anspringtemperatur des Methnnierungskatalysators der ersten bzw. der zweiten Reaktionszone. Die Zusammensetzung des Eintrittsgasstroms wird vorzugsweise so gewählt, daß eine geeignete Menge Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenoxid oder Kohlenoxiden vorhanden ist, wie dies nach den obigen Gleichungen (1) und/oder (2) gefordert wird. Gewöhnlich kann der Druck bei diesem Verfahren in dem Bereich von Atmosphärendruck oder weniger als Atmosphärendruck bis zu etwa 100 Atmosphären oder mehr betragen. Die erste Temperatur hängt von dem gewählten Katalysator ab und liegt normalerweise in dem Bereich von etwa 200 OP bis zu etwa 600 °C, während die zweite Temperatur in dem Bereich von etwa 400 0C bis etwa 1200 °C oder darüber liegt, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 800 bis etwa 900 00. Die dritte Temperatur liegt vorzugsweise in dem Bereich von etwa 200 0C bis etwa 350 OC, Die genauen Temperaturwerte hängen von der Art des eingesetzten Katalysators, der Eintrittsgaszusammensetzung, der Auslegung der Reaktionszonen, der Geschwindigkeit der Wärmeabführung durch das Kühlmittel und anderen Faktoren ab. When carrying out the methanation reaction on a larger scale for generating a substitute natural gas according to the present invention the feed stream is a mixture of one or more carbon oxides, preferably Carbon monoxide alone, and hydrogen. The catalyst of the first and the second The reaction zone is a methanation catalyst, e.g. one of the methanation catalysts mentioned above, and the first and second temperatures are at least as high as the light off temperature of the methylation catalyst of the first and the second reaction zone. The composition of the inlet gas stream is preferably chosen so that a suitable amount of hydrogen is present in proportion to carbon oxide or carbon oxides, as in the above Equations (1) and / or (2) is required. Usually the pressure at this Process in the range of atmospheric pressure or less than atmospheric pressure up to about 100 atmospheres or more. The first temperature depends on the catalyst chosen and is usually in the range of about 200 OP up to about 600 ° C, while the second temperature is in the range of about 400 ° C. to about 1200 ° C. or above, preferably in the range of about 800 to about 900,000. The third temperature is preferably in the range from about 200 0C to about 350 OC, the exact temperature values depend on the species the catalyst used, the inlet gas composition, the design of the Reaction zones, the rate of heat dissipation by the coolant and other factors.

Methanol wird in technischem Maßstab durch Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff nach der reversiblen Reaktion hergestellt.Methanol is produced on an industrial scale by reacting carbon monoxide with hydrogen after the reversible reaction manufactured.

Diese Gleichgewichtsreaktion wird in Richtung auf die Methanolsynthese durch erhöhten Druck günstig, durch eine Temperaturzunahme jedoch ungünstig beeinflußt. Wie bei den Umsetzungen (1) und (2) ist die Hinreaktion, d.h. die Methanolsynthese exotherm, während die Rückreaktion, die Methanolzersetzung, endotherm ist. Bei der Methanolerzeugung wird die Temperatur gewöhnlich bei etwa 200 bis 300 °C gehalten bei einem Reaktionsdruck in dem Bereich von etwa 20 bis etwa 360 Atmosphären. Geeignete Katalysatoren sind Mischoxide des Zinks, Chroms, Mangans oder Aluminiums, z.B. Zinkoxid mit Chromoxid als Promotor (mit einem Gehalt von beispielsweise 10 Gew.-% Chromoxid) und Kupferoxid-Trägerkatalysatoren. Andere Katalysatoren sind beispielsweise beschrieben von Richard M. Stephenson, Introduction to the Chemical Process Industries,(1966) Seiten 306 bis 308, erschienen bei Reinhold Publishing Corporation. This equilibrium reaction is directed towards the methanol synthesis Favorable by increased pressure, but adversely affected by an increase in temperature. The forward reaction, i.e. the methanol synthesis, is the same as in reactions (1) and (2) exothermic, while the reverse reaction, the decomposition of methanol, is endothermic. In the For methanol production, the temperature is usually maintained at about 200 to 300 ° C at a reaction pressure in the range of about 20 to about 360 atmospheres. Suitable Catalysts are mixed oxides of zinc, Chromium, manganese or aluminum, e.g. zinc oxide with chromium oxide as a promoter (with a content of e.g. 10 Wt .-% chromium oxide) and copper oxide supported catalysts. Other catalysts are for example, described by Richard M. Stephenson, Introduction to the Chemical Process Industries, (1966) pages 306-308, published by Reinhold Publishing Corporation.

Erfindungsgemäß erfolgt die Methanolsynthese in einer ersten und einer zweiten Reaktionszone mit einem Methanolsynthesekatalysator, z.B. einem der oben erwähnten Methanolsynthesekatalysatoren, und der Beschickungsstrom umfaßt ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid (vorzugsweise in einem Verhältnis H2:CO von 2:1), während die erste und die zweite Temperatur wenigstens so hoch wie die Anspringtemperatur des Nethanolsynthesekatalysators der ersten bzw. der zweiten Reaktionszone sind. Da die Methanolsynthese mit einer Volumenverminderung einhergeht, wird die Reaktion durch erhöhte Drücke begünstigt, wobei die Drücke zweckmäßigerweise beispielsweise in dem Bereich von etwa 5 bis etwa 360 Atmosphären oder mehr liegen und u.a. von der Katalysatoraktivität und den im Verfahren angewandten Reaktionstemperaturbereichen abhängen. Bevorzugte Methanolsynthesedrucke liegen bei dem erfindungsgemäusen Verfahren in dem Bereich von etwa 10 bis etwa 150 Atmosphären, z.B. in dem Bereich von etwa 20 bis etwa 100 Atmosphären. According to the invention, the methanol synthesis takes place in a first and a second reaction zone with a methanol synthesis catalyst, e.g. methanol synthesis catalysts mentioned above, and the feed stream comprises one Mixture of hydrogen and carbon monoxide (preferably in a ratio of H2: CO of 2: 1), while the first and second temperatures are at least as high as the Light-off temperature of the ethanol synthesis catalyst of the first or the second Are reaction zone. Since the methanol synthesis is accompanied by a reduction in volume, the reaction is promoted by increased pressures, the pressures expediently for example, in the range of about 5 to about 360 atmospheres or more and, inter alia, on the catalyst activity and the reaction temperature ranges used in the process depend. Preferred methanol synthesis pressures are in the process according to the invention in the range of about 10 to about 150 atmospheres, for example in the range of about 20 to about 100 atmospheres.

Die angewandten Temperaturen können in weiten Grenzen variieren.The temperatures used can vary within wide limits.

Beispielsweise kann die erste Temperatur in dem Bereich von etwa 150 bis etwa 300 00, die zweite Temperatur in dem Bereich von etwa 200 bis etwa 350 0C und die dritte Temperatur vorzugsweise in dem Bereich von etwa 150 bis etwa 300 °C liegen.For example, the first temperature can be in the range of approximately 150 to about 300,000, the second temperature in the range of about 200 to about 350 ° C. and the third temperature preferably in the range from about 150 to about 300 ° C.

Eine weitere reversible exotherme Gasphasenreaktion von industrieller Bedeutung ist die Ammoniaksynthese. Diese erfolgt nach der Reaktion Die Hinreaktion wird durch hohe Drucke und tiefe Temperaturen begünstigt, während die Rückreaktion durch hohe Temperaturen und niedrige Drucke unterstützt wird. Typische Betriebsbedingungen bei einer konventionellen Anoniaksynthese anlage sind 350 bis 550 °C und 50 bis 350 Atmosphären. Der Katalysator ist gewöhnlich ein Eisenoxidkatalysator, der Siliziumdioxid und als Promotor z.B. Aluminiumoxid und Kaliumoxid enthalten kann. Unter diesen Bedingungen können in einem einzigen Durchgang Umsätze von Stickstoff zu Ammoniak in der Größenordnung von 15 bis 50 % erreicht werden; normalerweise werden der nicht umgesetzte Stickstoff und Wasserstoff nach Entfernung des Ammoniakproduktes in die Reaktion zurückgeführt.Another reversible exothermic gas phase reaction of industrial importance is ammonia synthesis. This takes place after the reaction The forward reaction is favored by high pressures and low temperatures, while the reverse reaction is supported by high temperatures and low pressures. Typical operating conditions in a conventional anonia synthesis plant are 350 to 550 ° C and 50 to 350 atmospheres. The catalyst is usually an iron oxide catalyst, which can contain silicon dioxide and, for example, aluminum oxide and potassium oxide as promoters. Under these conditions, nitrogen to ammonia conversions of the order of 15 to 50% can be achieved in a single pass; normally the unreacted nitrogen and hydrogen are returned to the reaction after removal of the ammonia product.

Ein Beispiel eines kommerziellen Ammoniaksynthesekatalysators ist ein Eisenoxid, wie Magnetit (Fe304), mit einem Gehalt von 0,6 bis 2,0 % Al203 und 0,3 bis 1,5 % K20. Andere Katalysatoren für die Anoniaksynthese sind beispielsweise auf den Seiten 112 bis 115 des oben genannten Buches von Richard Pl. Stephenson beschrieben.An example of a commercial ammonia synthesis catalyst is an iron oxide such as magnetite (Fe304) with a content of 0.6 to 2.0% Al203 and 0.3 to 1.5% K20. Other catalysts for the synthesis of anonia are for example on pages 112 to 115 of the aforementioned book by Richard Pl. Stephenson described.

Bei Anwendung der Erfindung auf dem Gebiet der AzEImonisynthese besteht der Beschickungsstrom aus einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff, vorzugsweise in einem Verhältnis von N2 zu H2 von 1:3. Der Katalysator der ersten und zweiten Reaktionszone ist ein Ammoniaksynthesekatalysator, während die erste und zweite Temperatur wenigstens so hoch wie die Anspringtemperatur des Katalysators der ersten bzw. der zweiten Reaktionszone ist. Der Druck kann in dem Bereich von etwa 20 Atmosphären oder weniger bis zu etwa 400 Atmosphären oder mehr betragen. Typische Betriebsbedingungen reichen von etwa 30 Atmosphären bis zu etwa 250 Atmosphären. Der Katalysator oder die Katalysatoren können beispielsweise irgendwelche der oben erwähnten Mnmoniaksynthesekatalysatoren sein. Die erste Temperatur kann in dem Bereich von etwa 200 bis etwa 600 0C, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 300 bis etwa 500 OC und insbesondere in dem Bereich von etwa 350 bis etwa 480 OC liegen. If the invention is used in the field of AzEImonisynthesis the feed stream of a mixture of nitrogen and hydrogen, preferably in a ratio of N2 to H2 of 1: 3. The catalyst of the first and second Reaction zone is an ammonia synthesis catalyst, while the first and second Temperature at least as high as the light-off temperature of the catalyst of the first or the second reaction zone. The pressure can be in the range of about 20 atmospheres or less up to about 400 atmospheres or more. Typical operating conditions range from about 30 atmospheres to about 250 atmospheres. The catalyst or the catalysts can, for example, be any of the above-mentioned monoxide synthesis catalysts be. The first temperature can be in the range from about 200 to about 600 ° C., preferably in the range from about 300 to about 500 OC and especially in the range of about 350 to about 480 OC.

Die zweite Temperatur liegt vorzugsweise in dem Bereich von etwa 400 °C bis etwa 650 °C, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 480 °C bis etwa 550 OC.The second temperature is preferably in the range of about 400 ° C to about 650 ° C, preferably in the range of about 480 ° C to about 550 ° C.

Eine weitere reversible exotherme Gasphasenreaktion von industrieller Bedeutung ist die sogenannte CO-Konvertierungsreaktion, bei der Kohlenmonoxid und Wasserdampf gemäß der Reaktionsgleichung reagieren.Another reversible exothermic gas phase reaction of industrial importance is the so-called CO shift reaction, in which carbon monoxide and water vapor according to the reaction equation react.

Die Hinreaktion ist exotherm, so daß die Konvertierung zu Kohlendioxid durch tiefe Temperaturen begünstigt wird. Die Reaktion wird durch die sogenannten Bochtemperatur-Eonvertierungskatalysatoren, wie Eisenoxid/Chromoxid-Katalysatoren, die im allgemeinen in dem Temperaturbereich von etwa 300 bis etwa 600 0C wirksam sind, wie auch durch die sogenannten Tieftemperatur-Konvertierungskatalysatoren, wie Kupferoxid/Chromoxid/ Zinkoxid-Katalysatoren oder Kupferoxid/Zinkoxid/Aluminiumoxid-Katalysatoren katalysiert, die bei tieferen Temperaturen, z.B. The forward reaction is exothermic, so that the conversion to carbon dioxide is favored by low temperatures. The reaction is through the so-called Boch temperature conversion catalysts, such as iron oxide / chromium oxide catalysts, which are generally effective in the temperature range of about 300 to about 600 ° C are, as well as by the so-called low-temperature shift catalysts, such as copper oxide / chromium oxide / zinc oxide catalysts or copper oxide / zinc oxide / aluminum oxide catalysts catalyzed, which occurs at lower temperatures, e.g.

in dem Bereich von etwa 175 bis etwa 225 OC arbeiten. Metalle der Gruppe VIII, wie Nickel, sind ebenfalls als CO-Konvertierungskatalysatoren wirksam. Andere gonverti erungskatalysatoren sind die sogenannten Mitteltemperatur-Eonvertierungskatalysatoren, die im allgemeinen gemischte Eobalt- und Molybdänoxide auf einem geeigneten Träger sind. Figur sie wird eine Betriebstemperatur von etwa 280 bis etwa 500 0C empfohlen.operate in the range of about 175 to about 225 OC. Metals of Group VIII, such as nickel, are also effective as CO shift catalysts. Other conversion catalysts are the so-called medium-temperature conversion catalysts, the generally mixed cobalt and molybdenum oxides on a suitable carrier are. Figure it is recommended an operating temperature of about 280 to about 500 ° C.

Bei der Ausführung einer CO-Konvertierung nach der Erfindung weist der Beschickungsstrom ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Dampf auf, der Katalysator in der ersten und zweiten Reaktionszone besteht aus einem CO-Konvertierungskatalysator, z.B. einem der oben erwähnten Konvertierungskatalysatoren, und die erste und zweite Temperatur sind wenigstens so hoch wie die Anspringtemperatur des CO-Konvertierungskatalysators der ersten bzw. der zweiten Reaktionszone. Wenn ein Tieftemperatur-Konvertierungskatalysator eingesetzt wird, liegt die erste Temperatur vorzugsweise in dem Bereich von etwa 120 bis etwa 300 °C, die zweite Temperatur in dem Bereich von etwa 200 bis etwa 350 °C und die dritte Temperatur in dem Bereich von etwa 150 bis etwa 300 °C. Bei Einsatz eines Mitteltemperatur-Konvertierungskatalysators liegt vorzugsweise die erste Temperatur in dem Bereich von etwa 250 bis etwa 400 OC, die zweite Temperatur vorzugsweise in dem Bereich von etwa 350 bis etwa 500 0C und die dritte Temperatur vorzugsweise in dem Bereich von etwa 250 bis etwa 400 °C. Bei Einsatz eines Hochtemperatur-tonvertierungskatalysators liegt vorzugsweise die erste Temperatur in dem Bereich von etwa 300 bis eta 500 °C, die zweite Temperatur in dem Bereich von etwa 400 bis etwa 600 °C und die dritte Temperatur in dem Bereich von eta 300 bis etwa 450 0C. Der Betriebsdruck kann bei Atmosphärendruck liegen oder darunter oder bei erhöhten Drucken. Da jedoch bei der Reaktion keine Volumenänderung eintritt, ergibt sich durch das Arbeiten bei erhöhten Drucken kein Vorteil. When performing a CO conversion according to the invention, has the feed stream comprises a mixture of carbon monoxide and steam, the catalyst in the first and second reaction zone consists of a CO conversion catalyst, e.g. one of the above-mentioned shifting catalysts, and the first and second Temperature are at least as high as the light-off temperature of the CO conversion catalyst the first and the second reaction zone, respectively. When a low temperature shift catalyst is used, lies the first Temperature preferably in that Range from about 120 to about 300 ° C, the second temperature in the range of about 200 to about 350 ° C and the third temperature in the range of about 150 to about 300 ° C. When using a medium-temperature conversion catalyst is preferred the first temperature in the range from about 250 to about 400 OC, the second temperature preferably in the range from about 350 to about 500 ° C. and the third temperature preferably in the range of about 250 to about 400 ° C. When using a high temperature toning catalyst the first temperature is preferably in the range of about 300 to about 500 ° C, the second temperature in the range of about 400 to about 600 ° C, and the third Temperature in the range of about 300 to about 450 ° C. The operating pressure can be Atmospheric pressure or below or at elevated pressures. However, since the Response does not change in volume, results from working at increased Printing is not an advantage.

Bei Jeder reversiblen exothermen katalytischen Gasphasenreaktion hängen die Werte der ersten, zweiten und dritten Temperatur alle voneinander ab und von der Gaszusammensetzung am Eingang zu der ersten Reaktionszone, der Zuführungsgeschwindigkeit dieses Gases, der Größe und Gestalt der Reaktionszonen und bei der zweiten und dritten Temperatur von der Zufuhr des Kühlmittels. Soweit veröffentlichte thermodynamische Daten für die fragliche Reaktion verfügbar sind, kann ein Fachmann aus ihnen irgendeinen Wert für irgendeine dieser Variablen auf Grund angenommener Werte für die anderen Variablen bestimmten. Any reversible exothermic gas phase catalytic reaction the values of the first, second and third temperature all depend on one another and on the gas composition at the entrance to the first reaction zone, the feed rate this gas, the size and shape of the reaction zones and the second and third Temperature of the coolant supply. As far as published thermodynamic If data are available for the reaction in question, a person skilled in the art can choose from them any value for any of these variables based on assumed values for determined the other variables.

In einigen Fällen kann es erwünscht sein, dem dem Eingang der ersten Reaktionszone zugeführten Beschickungsstrom einen Anteil, z.B. etwa 0,1 bis 10 % oder mehr Gas beizugeben, das von einer Stelle abströmseitig der zweiten Reaktionszone zurückgeführt wird. Gewöhnlich übertsteigt der Anteil des zurückgeführten Gases nicht etwa 5 % des Beschickungsgasgemisches. In some cases it may be desirable to receive the first Feed stream fed to the reaction zone, e.g. about 0.1 to 10% or to add more gas from a point downstream of the second reaction zone is returned. Usually the amount of recycled gas exceeds not about 5% of the feed gas mixture.

Die dritte Temperatur kann unabhängig von der ersten Temperatur gewählt werden, gewöhnlich ist es vorteilhaft, die dritte Temperatur so niedrig wie möglich zu wählen, soweit die Katalysatoraktivität dies zuläßt. Demzufolge kann die dritte Temperatur größer, gleich oder kleiner als die erste Temperatur sein. The third temperature can be selected independently of the first temperature it is usually advantageous to keep the third temperature as low as possible to be chosen as far as the catalyst activity permits. As a result, the third Temperature can be greater than, equal to or less than the first temperature.

In jedem Falle kann das Beschickungsgas für die erste Reaktionszone neben den Reaktanten irgeneinen gasförmigen Bestandteil enthalten, der nicht an der gewünschten Reaktion in nennenswerter Weise teilnimmt und nicht die gatalysatoraktivität zerstört oder wesentlich vermindert. Diese reaktionsträgen gasförmigen Komponenten können in Abhängigkeit von der Art der Reaktion in variabler Menge anwesend sein. In either case, the feed gas for the first reaction zone contain any gaseous component in addition to the reactants that is not the desired reaction takes part in a significant way and not the catalyst activity destroyed or substantially reduced. These inert gaseous components can be present in variable amounts depending on the type of reaction.

In einem typischen Fall enthält ein Ammoniaksynthesegasstrom neben dem N2 und H2 bis zu etwa 15 Vol.-% oder mehr Inertgase, wie Methan, während ein Beschickungsgasstrom für einen Methanierreaktor in manchen Fällen bis zu 50 Vol.-% oder mehr reaktionsträge Gase, wie Methan, enthalten kann. In a typical case, an ammonia synthesis gas stream contains alongside the N2 and H2 up to about 15% by volume or more inert gases, such as methane, during a Feed gas stream for a methanation reactor in some cases up to 50% by volume or more inert gases such as methane.

Ein Methanolsynthesegas kann beispielsweise bis zu etwa 15 Vol.-% oder mehr Inertbestandteile, wie Methan, enthalten.A methanol synthesis gas, for example, can contain up to about 15% by volume or contain more inert components such as methane.

Bei der CO-Konvertierung kann der Prozentsatz der nicht an der Reaktion teilnehmenden Bestandteile in dem Beschickungsgas von etwa 1 Vol.-% oder weniger bis zu 50 Vol.-% oder mehr des Beschickungsgasstroms betragen. Die Herkunft des Beschickungsgasstroms ist unbedeutend, solange er die gewünschten Reaktionsteilnehmer in ausreichender Konzentration und ausreichendem Verhältnis und im wesentlichen keine störenden oder den Eatalysator vergiftenden Substanzen enthält.In the case of CO conversion, the percentage of not participating in the reaction participating ingredients in the feed gas of about 1% by volume or less up to 50% by volume or more of the feed gas stream. The origin of the The feed gas stream is insignificant as long as it has the desired reactants in sufficient concentration and proportion and essentially does not contain any interfering substances or substances that could poison the catalyst.

Die zweite Reaktionszone kann ein Röhrenreaktor mit einem oder mehreren mit Katalysator gefüllten Rohren sein, die jedes für sich einen äußeren Kühlmantel oder alle zusammen einen gemeinsamen Kühlmantel haben. Alternativ kann die zweite Reaktionszone aus einem oder mehreren Katalysatorbetten bestehen, in denen in geeigneter Weise Kühlrohre angeordnet sind. The second reaction zone can be a tubular reactor with one or more tubes filled with catalyst, each of which has an outer cooling jacket or they all have a common cooling jacket. Alternatively, the second Reaction zone consist of one or more catalyst beds in which in suitable Way cooling tubes are arranged.

Die Kühlung erfolgt unter Verwendung eines geeigneten Kühlmittels. Obgleich in einigen Fällen ein gasförmiges Eühlmittel, wie Luft, Anwendung finden kann, wird dessen Wärmekapazität gewöhnlich nicht ausreichen, um bei den praktischen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlgases den gewünschten Verlauf der Kühlkuuve zu erreichen. Demgemäß wird man gewöhnlich ein flüssiges Kühlmittel wählen. So kann man ein verdampfbares Kühlmittel, wie Freon 12 oder Freon 22, wählen, das unter Kühlung der zweiten Reaktionszone wenigstens teilweise verdampft. Auf diese Weise kann ein Teil der Reaktionswärme durch Verdampfung des Kühlmittels aufgenommen werden. Bei einer Betriebsweise ist demzufolge das Kühlmittel eine verdampfbare Flüssigkeit, die mit einer Eingangstemperatur und einem Druck, bei denen es flüssig ist, in eine außerhalb der zweiten Reaktionszone befindliche Kühlzone eingeführt wird und die aus der Kühlzone mit einer Temperatur und unter einem Druck abgeführt wird, bei denen wenigstens ein Teil des Kühlmittels dampfförmig ist, so daß wenigstens ein Teil der Reaktionswärme als Verdampfungswärme aus der zweiten Reaktionszone abgeführt wird. The cooling takes place using a suitable coolant. Although in some cases a gaseous coolant, like air, Can apply, its heat capacity will usually not be sufficient to the desired course at the practical flow rates of the cooling gas to reach the Kühlkuve. Accordingly, one usually becomes a liquid refrigerant Select. So you can choose a vaporizable coolant such as Freon 12 or Freon 22, which at least partially evaporates with cooling of the second reaction zone. on In this way, part of the heat of reaction can be absorbed by evaporation of the coolant will. In one mode of operation, the coolant is consequently evaporable Liquid with an inlet temperature and a pressure at which it is liquid is introduced into a cooling zone located outside the second reaction zone and which is removed from the cooling zone at a temperature and under a pressure is, in which at least part of the coolant is vaporous, so that at least part of the heat of reaction as heat of evaporation from the second reaction zone is discharged.

In vielen Fällen ist Wasser ein geeignetes Kühlmittel; der Kühlteil kann dann als Abhitzekessel für die Erzeugung von Niederdruckdampf von beispielsweise 1,4 bis 7 atü, oder von Hochdruckdampf von beispielsweise 7 bis 105 atü dienen. Es kann auch Quecksilber als verdampfbares Kühlmittel eingesetzt werden; aus Kostengründen wird es Jedoch gewöhnlich nicht verwendet. In many cases, water is a suitable coolant; the refrigerator compartment can then be used as a waste heat boiler for the generation of low pressure steam for example 1.4 to 7 atmospheres, or high pressure steam of, for example, 7 to 105 atmospheres. Mercury can also be used as a vaporizable coolant; for cost reasons However, it is usually not used.

Die Erfindung betrifft auch eine Betriebsweise, bei der das Kühlmittel in die außerhalb der zweiten Reaktionszone befindliche Kühlzone gelangt und die Eintritts- und Austrittstemperatur des gühlmittels und der Druck, unter dem die Kühlzone gehalten wird, so gewählt sind, daß das Kühlmittel beim Passieren der Kühlzone nicht verdampft. So können Salze oder Salzgemische, die bei der Reaktionstemperatur geschmolzen sind, in bestimmten Fällen als Kühlmittel dienen. Beispiele geeigneter Salze sind die Halogenide (z.B. Chloride und Bromide) und Nitrate der Alkalimetalle (z.B. Natrium und Kalium), Erdalkalimetalle (Magnesium und Calcium) und Ubergangsmetalle (z.B. Zink und Kupfer) sowie Mischungen von zwei oder mehreren dieser Salze. Außerdem ist es in gewissen Fällen möglich, als nichtverdampfbare Kühlmittel Stoffe wie Dowtherm, Diphenyl, Thermex (eutektisches Gemisch aus 26,5 % Diphenyl und 73,5 % Diphenyloxid) und dergl. einzusetzen. In gewissen Fällen können auch flüssige Metalle, wie Blei, Zinn, Natrium, Quecksilber und dergl. verwendet werden. The invention also relates to a mode of operation in which the coolant enters the cooling zone located outside the second reaction zone and the Entry and exit temperature of the coolant and the pressure under which the Cooling zone is held, are chosen so that the coolant when passing through the cooling zone not evaporated. So can salts or salt mixtures, which at the reaction temperature melted, can be used as a coolant in certain cases. Examples of suitable ones Salts are the halides (e.g. chlorides and bromides) and nitrates of the alkali metals (e.g. sodium and potassium), alkaline earth metals (magnesium and calcium) and transition metals (e.g. zinc and copper) and mixtures of two or more of these salts. aside from that is it possible in certain cases to use substances such as Dowtherm, Diphenyl, Thermex (eutectic mixture of 26.5% diphenyl and 73.5% diphenyl oxide) and the like. In certain cases, liquid metals such as lead, Tin, sodium, mercury and the like can be used.

Das Kühlmittel kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu der Gasströmung durch die zweite Reaktionszone fließen. Die Kühlfläche der zweiten Reaktionszone kann in zwei oder mehrere Anteile unterteilt sein, von denen jeder seine eigene Kühlmittelzuführung hat und jeder unabhängig von dem oder den anderen Teilen so angeordnet ist, daß das Kühlmittel darin im Gleich-oder Gegenstrom fließt. The coolant can be cocurrent or countercurrent to the gas flow flow through the second reaction zone. The cooling surface of the second reaction zone can be divided into two or more parts, each of which has its own Has coolant supply and each independently of the other part or parts like that is arranged that the coolant flows therein in cocurrent or countercurrent.

Wenngleich es gewöhnlich ausreicht, eine einzige erste Reaktion und eine einzige zweite Reaktionszone vorzusehen, ist es in vielen Fällen möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zweimal oder mehrere Male nacheinander mit dem Gasstrom auf seinem Gasströmungsweg durchzuführen. In diesem Falle können zwei oder mehrere erste Reaktionszonen vorgesehen sein, wobei zwischen jeweils einer davon und der bzw. einer benachbarten ersten Reaktionszone eine geeignete zweite Reaktionszone angeordnet ist. Although it is usually sufficient, a single initial reaction and Providing a single second reaction zone, it is possible in many cases that Process according to the invention twice or more times in succession with the gas stream perform on its gas flow path. In this case, two or more first reaction zones be provided, between each one of them and the or an adjacent first reaction zone, a suitable second reaction zone is arranged.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegende schematische Zeichnung weiter erläutert. Es zeigen Figur 1(a) und 1(b) ein Temperatur/Umsatz-Diagramm einer typischen exothermen katalytischen Gasphasenreaktion bzw. eine schematische Darstellung der zugehörigen Apparatur unter Benutzung der Cold Shot-Technk; Figur 2(a) und 2(b) entsprechende Darstellungen für einen pseudoisothermen Reaktor mit äußerer Verdampfungskühlung; Figur 3 ein Temperatur/Umsatz-Diagraxm für einen pseudoisothermen Reaktor mit Außenkühlung ohne Verdampfung; Figur 4(a) eine typische Temperatur/Umsatz-Kurve für ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung; Figur 4(b) und 4(c) andere Ausführungsformen der Anlage, mit der man die Kurve der Figur 4(a) erhalten kann; Figur 5 eine konventionelle ,9usführungsform einer Methanolanlage; Figur 6 eine Methanolanlage, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird; Figur 7 eine herkömmliche Ammoniakanlage; Figur 8 ein Diagramm mit Gleichgewichtsumsatzkurven in einem Bereich von Temperaturen und Drucken bei einmaligem Durchgang durch einen Methanolsynthesereaktor bei Einsatz eines stöchiometrischen Beschickungsgases (H2:CO 2:1); Figur 9 ein Diagramm ähnlich der Figur 8 für die Ammoniaksynthese und Figur 10 ein Diagramm, das die Temperatur/Umsatz-Kurven Nr drei unterschiedliche Auslegungen eines Ammoniakresktors zeigt. The invention is illustrated with reference to the accompanying schematic Drawing further explained. Figures 1 (a) and 1 (b) show a temperature / conversion diagram a typical exothermic catalytic gas phase reaction or a schematic Representation of the associated apparatus using the cold shot technique; figure 2 (a) and 2 (b) corresponding representations for a pseudoisothermal reactor with external evaporative cooling; FIG. 3 a temperature / conversion diagram for a pseudoisotherm Reactor with external cooling without evaporation; Figure 4 (a) shows a typical temperature / conversion curve for a method according to the present invention; Figure 4 (b) and 4 (c) other embodiments of the plant with which the curve of FIG. 4 (a) is obtained can; FIG. 5 shows a conventional embodiment of a methanol plant; Figure 6 a methanol plant which is operated according to the method according to the invention; figure 7 shows a conventional ammonia plant; FIG. 8 shows a diagram with equilibrium conversion curves in a range of temperatures and pressures in a single pass through one Methanol synthesis reactor using a stoichiometric feed gas (H2: CO 2: 1); FIG. 9 shows a diagram similar to FIG. 8 for the ammonia synthesis and FIG 10 is a diagram showing the temperature / conversion curves no. Three different interpretations of an ammonia tank shows.

In der Zeichnung wurden verschiedene Reaktoren und andere Anlagenteile einfach schematisch dargestellt. Eine große Zahl verschiedener Reaktortypen ist dem Fachmann bekannt und kann erfindungsgemäß eingesetzt werden. Aus Gründen der Einf heit wurden Ventile und andere Anlagenteile, wie z.B. Temperaturfühler und Druckregelsysteme weggelassen. Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß derartige zusätzliche Anlagenteile für einen erfolgreichen Betrieb des Verfahrens nötig sind, und die Anordnung und der Einsatz dieser Hilfsmittel der Anlage sind nicht Gegenstand der Erfindung und entsprechen der normalen Chemieingenieurpraxis. Various reactors and other plant components were shown in the drawing simply shown schematically. A large number of different types of reactors are available known to the person skilled in the art and can be used according to the invention. For reasons of simplicity, valves and other system components, such as temperature sensors and pressure control systems are omitted. It is obvious to those skilled in the art that such additional plant components are necessary for the successful operation of the process, and the arrangement and use of these aids of the system are not part of the subject of the invention and correspond to normal chemical engineering practice.

In der Zeichnung zeigt Figur 1 einen typischen Ealtgas-Abschreckkühlreaktor mit drei Betten. Relativ kaltes Gas tritt durch Leitung 10 in das System ein, und etwa 40 % des gesamten Gases strömen durch den Wärmeaustauscher 11 zur Leitung 12 und treten in das erste Katalysatorbett 13 ein, das adiabatisch gefahren wird. Nach Figur 1(a) steigt die Temperatur schnell bis auf den Punkt B. Das Gas verläßt den Reaktor als ein gleichgewichtsnahes Gemisch, dessen Temperatur und Zusammensetzung in Figur 1(a) angegeben sind. Wenn das erste Katalysatorbett 13 unendlich lang wäre, würde das aus dem gatalysatorbett 13 austretende Gasgemisch die dem Punkt C in Figur 1(a) entsprechende Temperatur und Zusammensetzung aufweisen. Je mehr sich die Reaktion jedoch dem Punkt C nähert, umso langsamer wird die Reaktionsgeschwindigkeit. Daher ist das den adiaba tischen Reaktor 13 verlassende Gasgemisch ein greflchsewichts nahes Gemisch und nicht ein völlig im Gleichgewicht befindliches Gemisch. In the drawing, FIG. 1 shows a typical cold gas quench cooling reactor with three beds. Relatively cold gas enters the system through line 10, and About 40% of the total gas flows through the heat exchanger 11 to the line 12 and enter the first catalyst bed 13, which is operated adiabatically. To Figure 1 (a) the temperature rises rapidly to point B. The gas leaves the Reactor as a mixture close to equilibrium, its temperature and composition are indicated in Figure 1 (a). If the first catalyst bed 13 were infinitely long, the gas mixture emerging from the catalyst bed 13 would correspond to point C in FIG 1 (a) have the appropriate temperature and composition. The more the reaction however, as it approaches point C, the slower the reaction speed becomes. Therefore the gas mixture leaving the adiabatic reactor 13 is a weight-bearing factor close mixture and not a fully equilibrated mixture.

Das Produktgas aus dem Reaktor 13 wird dann mit weiterem relativ kaltem Gas aus Leitung 14 gemischt. An der Eintrittsstelle D zu dem weiteren, ebenfalls adiabatisch betriebenen, katalytischen Reaktor 15 sind die Temperatur und Zusammensetzung des Gemisches so wie sie in der Figur 1(a) durch den Punkt D angegeben sind. In dem Reaktor 15 schreitet die Reaktion weiter fort, und die Temperatur steigt erneut zu dem in Figur 1(a) angegeben Gleichgewichtspunkt F hin an. Wie bei dem Reaktor 13 wird auch hier die Reaktion nicht vollständig zum Gleichgewicht führen, so daß das aus dem Reaktor 15 austretende Gemisch die Zusammensetzung und Temperatur aufweist, die durch den Punkt E in Figur 1(a) angegeben sind. Mit dem Austrittsgasstrom aus Reaktor 15 wird weiteres Kaltgas gemischt, das durch Leitung 16 herangeführt wird. Das vereinigte Gas tritt in den dritten Katalysereaktor ein. Die Temperatur und die Zusammensetzung des Gemisches am Eingang des Reaktors 17 sind in Figur 1(a) durch den Punkt G angegeben. Die Zusammensetzung und Temperatur des den Reaktor 17 verlassenden Gasgemisches sind in Figur 1(a) durch den Punkt H angegeben. The product gas from the reactor 13 is then with further relative cold gas from line 14 mixed. At the entry point D to the further one, too adiabatically operated, catalytic reactor 15 are the temperature and composition of the mixture as indicated by point D in Figure 1 (a). In in the reactor 15 the reaction continues and the temperature rises again towards the equilibrium point F indicated in FIG. 1 (a). As with the reactor 13 here too the reaction will not lead completely to equilibrium, so that the mixture exiting the reactor 15 has the composition and temperature, indicated by point E in Figure 1 (a). With the exit gas stream out Reactor 15 is mixed with further cold gas, which is supplied through line 16. The combined gas enters the third catalytic reactor. The temperature and the composition of the mixture at the inlet of the reactor 17 are shown in Figure 1 (a) indicated by the point G. The composition and temperature of the reactor 17 leaving gas mixture are indicated by the point H in Figure 1 (a).

Schließlich tritt das den Reaktor 17 verlassende Gas, das nun eine Temperatur T' hat, durch den Wärmeaustauscher 11, in dem es die Temperatur des ankommenden Gases auf die Temperatur T° anhebt.Finally, the gas leaving the reactor 17, which is now a Temperature T 'has, through the heat exchanger 11, in which it is the temperature of the incoming Gas raises to the temperature T °.

Beim Betrieb der Anlage der Figur 1(b) muß die Temperatur am Eingang zum ersten Reaktor 13, d.h. die Temperatur TO oberhalb der Anspringtemperatur des in dem Reaktor 13 befindlichen Katalysators liegen. Außerdem darf die durch den Punkt B in Figur 1(a) dargestellte Temperatur die Inaktivierungstemperatur des Katalysators nicht überschreiten. When operating the system of Figure 1 (b), the temperature at the inlet to the first reactor 13, i.e. the temperature TO above the light-off temperature of the catalyst located in the reactor 13. In addition, she is allowed through the point B in Figure 1 (a) is the inactivation temperature of the Do not exceed the catalytic converter.

Wie aus Figur 1(a) ersichtlich ist, haben die Punkte B, D,E,G und H einen bestimmten Abstand von der Kurve maximaler Geschwindigkeit L-M. Daher läuft im wesentlichen die gesamte Reaktion mit nicht optimalen Geschwindigkeiten ab, so daß der Katalysator in einer relativ unwirksamen Weise benutzt wird. As can be seen from Figure 1 (a), points B, D, E, G and H a certain distance from the curve of maximum speed L-M. Hence runs essentially the entire reaction proceeds at sub-optimal rates, so that the catalyst is being used in a relatively ineffective manner.

Eine Alternative zu dem Cold Shot-System (oder System mit direkter Abschreckkühlung oder direktem QuenRchen) ist das sogenannte System mit indirekter Abschreckkühlung, bei dem das gesamte Gas durch eine Reihe adiabatischer Reaktoren im Wechsel mit indirekter Kühlung zwischen den adiabatischen Stufen strömt. In diesem Fall wird ein ähnliches Reaktionsprofil wie die Linie A-B-D-E-G-H der Figur 1(a) erhalten, wobei Jedoch im Falle der indirekten Abschreckkühlung die den Linien B-D und E-G der Figur 1(a) entsprechenden Linien parallel zur Temperaturachse verlaufen. Abermals erfolgt im wesentlichen die gesamte Reaktion mit anderen Reaktionsgeschwindigkeiten als der durch die Linie L-M dargestellten optimalen Reaktionsgeschwindigkeit. An alternative to the cold shot system (or system with direct Quench cooling or direct quenching) is the so-called system with indirect Quench cooling, in which all the gas is passed through a series of adiabatic reactors flows alternately with indirect cooling between the adiabatic stages. In this Case will have a similar reaction profile as the line A-B-D-E-G-H of Figure 1 (a) obtained, however, in the case of indirect quench cooling, the lines B-D and lines corresponding to E-G of Figure 1 (a) are parallel to the temperature axis. Again, essentially all of the reaction occurs at different reaction rates than the optimum reaction speed represented by the line L-M.

In dem Cold Shot-System wie auch in dem System mit indirekter Abschreckkühlung ist eine beträchtliche Bettenzahl erforderlich, um eine niedrige Austrittstemperatur und demzufolge einen hohen prozentualen Umsatz zum gewünschten Produkt zu erreichen. In the cold shot system as well as in the system with indirect quench cooling a considerable number of beds is required to achieve a low outlet temperature and consequently to achieve a high percentage conversion of the desired product.

Figur 2(a) zeigt die entsprechende Temperatur/Umsatz-Kurve für einen in der Figur 2(b) dargestellten pseudoisothermen Reaktor unter Verwendung eines Verdampfnngskühlmittels von konstanter Temperatur. Dieses Kühlmittel tritt durch Leitung 22 in den das mit Katalysator gefüllte Rohr 21 umgebenden Kühlmantel 20 ein und tritt durch Leitung 23 aus. Das Eingangsgas tritt in den Reaktor ein, wie durch Pfeil 24 angedeutet, und verläßt den Reaktor am gegenüberliegenden Ende, wie durch Pfeil 25 angegeben ist. Das Kühlmittel ist ein Verdampfungskühlmittel, wie z.B. Wasser, und seine Temperatur in dem Kühlmantel ist in Figur 2(a) durch die gestrichelte Linie bei der Temperatur T0 angegeben. Die Temperatur T0 stellt die Anspringtemperatur des Katalysators dar, und die Temperatur T1 gibt die Eintrittstemperatur bei frischem Katalysator an. Wie aus Figur 2(a) ersichtlich ist, steigt die Temperatur bis auf den Hot Spot B an und fällt dann wieder ab, so daß beim Verlassen des Reaktors eine Temperatur und eine Zusammensetzung entsprechend Punkt C in Figur 2(a) herrschen. Wiederum läuft ein großer Teil der Reaktion unter Bedingungen ab, die weit von der Linie L-M maximaler Reaktionsgeschwindigkeit entfernt sind, so daß die Katalysatorausnutzung verhältnismäßig uneffektiv ist. Ferner kann bei einer Alterung des Katalysators eine Abschreckkühlung einsetzen, wie durch die Linie A'-Q angegeben ist. Figure 2 (a) shows the corresponding temperature / conversion curve for a in Figure 2 (b) shown pseudoisothermal reactor using a Constant temperature evaporation coolant. This coolant passes through Line 22 into the cooling jacket 20 surrounding the tube 21 filled with catalyst and exits through line 23. The inlet gas enters the reactor as indicated by arrow 24, and leaves the reactor at the opposite end, such as indicated by arrow 25. The refrigerant is an evaporative refrigerant, such as e.g. water, and its temperature in the cooling jacket is shown in Figure 2 (a) by the dashed line indicated at temperature T0. The temperature T0 represents the The light-off temperature of the catalytic converter is, and the temperature T1 is the inlet temperature when the catalyst is fresh. As can be seen from Figure 2 (a), the temperature rises except for the hot spot B and then falls again, so that when leaving the reactor a temperature and a composition corresponding to point C in Figure 2 (a) prevail. Again, a large part of the reaction proceeds under conditions far from line L-M maximum reaction speed are removed, so that the catalyst utilization is relatively ineffective. Furthermore, with a As the catalyst ages, employ a quench cooling, as indicated by the line A'-Q is specified.

Selbst wenn die Eintrittstemperatur bei T1 gehalten wird, ist die Katalysatoralterung Anlaß für eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche be Umsatzeinheit, und es kann notwendig sein, die Beschickungstemperatur zu erhöhen, um den Verlust an gatalysatoraktivität zu kompensieren. Wenn dies nicht geschieht, ist es fast unvermeidlich, daß eine wesentliche Verringerung der Produktkonzentration eintritt. Wenn der gatalysator altert, verschiebt sich der Hot Spot die Katalysatorbettlänge hinunter; dies kann bei einer befriedigenden Auslegung des Reaktors zu Schwierigkeiten führen.Even if the inlet temperature is kept at T1, the Catalyst aging reason for an enlarged heat transfer area in the turnover unit, and it may be necessary to increase the feed temperature to reduce the loss to compensate for catalyst activity. If it doesn't, it is almost inevitably there will be a substantial decrease in product concentration. As the catalyst ages, the hot spot shifts the length of the catalyst bed down; this can lead to difficulties in the case of a satisfactory design of the reactor to lead.

Diese Probleme können bis zu einem gewissen Grade durch Verwendung eines nicht verdampfbaren Kühlmittels überwunden werden, wie in Figur 3 gezeigt ist. In dieser Figur wird eine Gegenstromkühlung angenommen, wobei die Eühlmitteleintrittstemperatur mit Xc' und die Kühlmittelaustrittstemperatur durch 2 die Temperatur Tc und der Kühlmitteltemperaturverlauf als gestrichelte Linie angegeben sind. Es ist jedoch noch unmöglich, in befriedigender Weise die Verschiebung des Hot Spot abwärts durch das Katalysatorbett in Zuge der Katalysatoralterung zu berechnen. Wie bei dem Temperaturprofil der Figur 2(a) ist die Katalysatorausnutzung relativ uneffektiv, da ein großer Teil der Reaktion entfernt von der Kurve L-M maximaler Reaktionsgeschwindigkeit erfolgt. Dies bedeutet, daß der Reaktionsbehälter entsprechend ver vergrößert werden muß. These problems can to some extent through use a non-evaporable coolant can be overcome, as shown in FIG is. In this figure, countercurrent cooling is assumed, with the coolant inlet temperature with Xc 'and the coolant outlet temperature by 2 the temperature Tc and the Coolant temperature curve are indicated as a dashed line. However, it is still impossible to move the hot spot downwards in a satisfactory manner to calculate the catalyst bed in the course of the catalyst aging. As with the temperature profile of Figure 2 (a), the catalyst utilization is relatively ineffective because it is large part the reaction takes place away from the curve L-M of maximum reaction rate. This means that the reaction vessel must be enlarged accordingly.

Figur 4(a) zeigt das Temperaturprofil beim Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. In dieser Figur bedeutet TD die Inaktivierungstemperatur des Katalysators, T1 die Temperatur am Eintritt zu der ersten adiabatischen Reaktionszone, T2 die zweite Temperatur oder die Austrittstemperatur aus dem adiabatischen Teil und T3 die Temperatur des gasförmigen Reaktionsgemisches beim Austritt aus der außengekühlten zweiten Reaktionszone. T4 gibt die Kühlmitteleintrittstemperatur und die Kühlmittelaustrittstemperatur an. Die Linie L-M stellt die Kurve maximaler Reaktionsgeschwindigkeit und die Linie x-r die Gleichgewichtskurve dar. Figure 4 (a) shows the temperature profile when working according to the invention Procedure. In this figure, TD means the inactivation temperature of the catalyst, T1 the temperature at the entrance to the first adiabatic reaction zone, T2 the second temperature or the exit temperature from the adiabatic part and T3 the temperature of the gaseous reaction mixture when it emerges from the externally cooled second reaction zone. T4 gives the coolant inlet temperature and the coolant outlet temperature at. The line L-M represents the maximum response speed curve and the line x-r represents the equilibrium curve.

Die Figuren 4(b) und 4(c) geben Ausführungsformen der Apparate an, mit denen die Kurve A-3-C der Figur 4(a) erhalten werden kann. In Figur 4(b) tritt das nicht verdampfende Eühlmittel durch Leitung 32 in den Kühlmantel 30 des mit Satalysator gefüllten Rohres 31 ein und tritt aus dem Kühlmantel über Leitung 33 aus. Das Eingangsgas gelangt durch Leitung 34 in die erste adiabatische Reaktionszone 35, tritt durch Leitung 36 aus und strömt zum Eingangsende des mit Katalysator gefüllten Rohres 31, das die zweite, von außen gekühlte Reaktionszone bildet. Das Produktgasgemisch tritt durch Leitung 37 aus. Figures 4 (b) and 4 (c) indicate embodiments of the apparatus, with which curve A-3-C of Figure 4 (a) can be obtained. In Figure 4 (b) occurs the non-evaporating coolant through line 32 into the cooling jacket 30 of the with Catalyst-filled pipe 31 and exits the cooling jacket via line 33 the end. The inlet gas passes through line 34 into the first adiabatic reaction zone 35, exits through line 36 and flows to the inlet end of the catalyst-filled one Tube 31, which forms the second, externally cooled reaction zone. The product gas mixture exits through line 37.

Der Reaktor der Figur 4(c) ist ähnlich, wobei gleiche Teile auch gleiche Bezugszahlen tragen. Bei dieser Ausführungsform ist Jedoch der getrennte adiabatische Reaktionsbehälter 35 der Figur 4(b) durch ein ungekühltes Stuck 38 des mit Katalysator gefiillten Rohres ersetzt. The reactor of Figure 4 (c) is similar, with like parts also bear the same reference numbers. In this embodiment, however, the separate one adiabatic reaction vessel 35 of FIG. 4 (b) by an uncooled piece 38 of the pipe filled with catalyst replaced.

Die Vorrichtungen der Figuren 4(b) und 4(c) und das zugehörige Temperaturprofil der Figur 4(a) bieten gegenüber dem pseudoisothermen Reaktor in mehrfacher Hinsicht bestimmte Vorteile, unabhängig, ob man ein Nichtverdaptungskühlmittel oder ein Verdamprungskiihlmittel einsetzt. So kann bei Anwendung eines ungekühlten adiabatischen Teils die zweite Temperatur, d.h. die Temperatur am Ausgang aus der adiabatischen Reaktionszone, genau vorherbestimmt werden, so daß ein vollkommener Schutz temperaturempfiadlicher Katalysatoren möglich ist. The devices of Figures 4 (b) and 4 (c) and the associated temperature profile of Figure 4 (a) offer over the pseudoisothermal reactor in several ways certain benefits regardless of whether you are using a non-evaporation coolant or an evaporation coolant begins. When using an uncooled adiabatic part, the second Temperature, i.e. the temperature at the exit from the adiabatic reaction zone, are precisely predetermined, so that a perfect protection temperature sensitive Catalysts is possible.

Außerdem kann der Temperaturbereich in der adiabatischen Reaktionszone, d.h. die Differenz zwischen der zweiten Temperatur T2 und der ersten Temperatur T1, unabhängig von der dritten Temperatur T3 gewählt werden. Bei einem pseudoisothermen Reaktor mit äußerer Verdampfungs- oder Nichtverdampfungskuh..lung kann die Maximaltemperatur am Hot Spot nicht vorherbestimmt werden, was zu Schwierigkeiten bei der Reaktorauslegung führt.In addition, the temperature range in the adiabatic reaction zone, i.e. the difference between the second temperature T2 and the first temperature T1 can be selected independently of the third temperature T3. In the case of a pseudoisotherm Reactor with external evaporation or non-evaporation cooling can set the maximum temperature cannot be predetermined at the hot spot, which leads to difficulties in the design of the reactor leads.

Außerdem verursachen ein Kühlmittelverlust oder ein Anstieg der Kühimitteltemperatur bei einem pseudoisothermen Reaktor Temperaturausschläge an dem Hot Spot. Bei extremen Fällen kann dies dazu fuhren, daß die Hot Spot-Temperatur die Inaktivierungstemperatur des Katalysators übersteigt, wodurch die Katalysatoraktivität verloren gehen kann.It also causes a loss of coolant or a rise in coolant temperature in the case of a pseudoisothermal reactor, temperature excursions at the hot spot. At extremes In some cases, this can mean that the hot spot temperature is the inactivation temperature of Catalyst exceeds, whereby the catalyst activity can be lost.

Bei den Figuren 4(b) und 4(c) ist das mit Katalysator gefüllte Rohr der Einfachheit halber als einzelner geradliniger Reaktor gezeigt. Das Rohr kann irgendeinen gewünschten, Jedoch gewöhnlich kreisförmigen Querschnitt haben und gewünschtenfalls spiralförmig, U-förmig oder in anderer Gestalt gebogen sein. In Figures 4 (b) and 4 (c), the tube is filled with catalyst shown as a single rectilinear reactor for simplicity. The pipe can have any desired, but usually circular, cross-section, and if so desired Spiral, U-shaped or bent in another shape.

Es können mehrere parallele Rohre anstelle eines Einzelrohres Verwendung finden.Several parallel pipes can be used instead of a single pipe Find.

Die Figuren 5 bis 10 werden weiter unten im Zusammenhang mit den folgenden Beispielen beschrieben, welche die Erfindung erläutern. Die Beispiele 1,4,6,8,11 und 14 sind Vergleichsbeispiele und die Beispiele 2,3,5,7,9,10,12,13 und 15 bis 17 erläutern das errindungsgemäße Verfahren. Figures 5 to 10 are further below in connection with the The following examples are described which illustrate the invention. The examples 1,4,6,8,11 and 14 are comparative examples and examples 2,3,5,7,9,10,12,13 and FIGS. 15 to 17 explain the method according to the invention.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel) Eine herkömmliche Methanolanlage wird mit einem Druck von 95 Atmosphären unter Verwendung eines Kreislaufgases folgender volumenmäßiger Zusammensetzung betrieben: Bestandteil Prozentanteil CH4 1,44 CO2 4,57 CO 16,02 H2 56,89 N2 21,08 Diese Anlage ist schematisch in Figur 5 dargestellt. Sie umfaßt 5 adiabatische Reaktoren 121, 122, 123, 124 und 125 geeigneter Größe, die durch die Leitungen 126, 127, 128 und 129 hintereinandergeschaltet sind. Jeder der Reaktoren 121 bis 125 enthält einen üblichen Nethanolsynthesekatalysator. Das Ausgangsgas des Bettes 125 gelangt über Leitung 130 zu einer flethanolgewinnungsanlage 131, aus der über Leitung 132 Methanol in einer Menge von 417 kmol/h abgezogen werden. Nicht umgesetztes Gas wird durch Leitung 133 zu der Kompressionsanlage 134 zurückgeführt, in welcher der Druck wieder auf den Betriebsdruck heraufgesetzt wird. Die Leitung 135 dient zur Gasergänzung aus einer herkömmlichen Synthesegasanlage, und die Leitung 136 ist eine Gasabstoßleitung, durch die inerte Bestandteile, wie Methan und Stickstoff, aus dem System entfernt werden können.Example 1 (comparative example) A conventional methanol plant is used at a pressure of 95 atmospheres using a cycle gas as follows operated according to volume composition: component percentage CH4 1.44 CO2 4.57 CO 16.02 H2 56.89 N2 21.08 This system is shown schematically in Figure 5 shown. It comprises 5 adiabatic reactors 121, 122, 123, 124 and 125 of suitable size, connected in series by lines 126, 127, 128 and 129 are. Each of the reactors 121 to 125 contains a common ethanol synthesis catalyst. The starting gas of bed 125 passes via line 130 to a flethanol recovery plant 131, from which methanol is drawn off via line 132 in an amount of 417 kmol / h. Unreacted gas is returned to the compression unit 134 through line 133, in which the pressure is increased back to the operating pressure. The administration 135 is used to replenish gas from a conventional synthesis gas system, and the line 136 is a gas discharge pipe through which inert components such as methane and nitrogen can be removed from the system.

Das Prozessgas wird durch Leitung 137 über die Heizstufe 138 zum Eingang des Reaktors 121 gefördert. Die Eingangstemperatur am Eingang des Reaktors 121 beträgt 245 0C (das ist eine Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators).The process gas is fed through line 137 via heating stage 138 to the input of the reactor 121 promoted. The inlet temperature at the inlet of the reactor 121 is 245 0C (that is a temperature above the light-off temperature of the catalytic converter).

Weiteres Prozessgas wird über die Leitungen 139, 140, 141 und 142 entsprechend der Cold Shot-Technik zugeführt, um so die Eingangstemperatur der entsprechenden folgenden Reaktoren zu verringern und eine weitere Methanolsynthese zu ermöglichen.Additional process gas is supplied via lines 139, 140, 141 and 142 fed according to the cold shot technique, so as to adjust the inlet temperature of the corresponding to reduce the following reactors and to enable further methanol synthesis.

Beispiel 2 Bei diesem Beispiel findet die Anlage der Figur 6 Anwendung. Diese ist im allgemeinen ähnlich der Anlage der Figur 5; es werden - soweit anwendbar - die gleichen Bezugszahlen verwendet. Die Anlage unterscheidet sich jedoch von der in Figur 5 dadurch, daß die Leitungen 139, 140, 141 und 142 fortgefallen sind und die Reaktoren 121, 122, 123, 124 und 125 durch einen adiabatischen Reaktor 151 und einen als Abhitzekessel mit einem Mantel 153, einem Eühlwassereingang 154 und einem Dampfaustrittsstutzen 155 ausgebildeten Reaktor 152 ersetzt sind. Die Zusammensetzung des zirkulierenden Gases ist die gleiche wie in Beispiel 1, und die Nethanolausbeute beträgt ebenfalls 417 kmol/h. Die Gaseintrittstemperatur am adiabatischen Reaktor 151 beträgt in diesem Falle 210 0C (wiederum oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators), und der Reaktor 152 wird so betrieben, daß der aus dem Kessel 152 austretende Gasstrom ebenfalls eine Temperatur von 210 OC aufweist. Die Austrittstemperatur des Reaktors 151 liegt in der Gegend von 280 bis 290 0C. Der Betriebsdruck beträgt nur 33 Atmosphären. Dies bedeutet, daß die Kompressoren der Verdichtungsstufe 134 kleiner sein können und weniger Energie als beim Betrieb gemäß Beispiel 1 verbrauchen.Example 2 In this example, the system of FIG. 6 is used. This is generally similar to the system of Figure 5; it will - where applicable - the same reference numbers are used. The plant differs however, differs from that in FIG. 5 in that lines 139, 140, 141 and 142 have been omitted and the reactors 121, 122, 123, 124 and 125 by an adiabatic Reactor 151 and a waste heat boiler with a jacket 153, a cooling water inlet 154 and a steam outlet connection 155 designed reactor 152 are replaced. The composition of the circulating gas is the same as in Example 1, and the ethanol yield is also 417 kmol / h. The gas inlet temperature at the adiabatic reactor 151 is in this case 210 ° C. (again above the Light-off temperature of the catalyst), and the reactor 152 is operated so that the gas stream exiting the boiler 152 also has a temperature of 210.degree having. The outlet temperature of the reactor 151 is in the region of 280 to 290 0C. The operating pressure is only 33 atmospheres. This means that the compressors the compression stage 134 can be smaller and less energy than during operation Consume according to Example 1.

Beispiel 3 Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wird wiederholt, wobei jedoch der Betriebsdruck bei 95 Atmosphären liegt. In diesem Fall verringert sich die Menge des aus der Methanoltrennstufe 131 rezirkulierten Gases um 45 X, verglichen mit den Beispielen 1 und 2. Demzufolge können die Kompressoren der Verdichtungsstufe 134 kleiner sein, und sie verbrauchen weniger Energie als beim Betrieb gemäß Beispiel 1.Example 3 The procedure of Example 1 is repeated, wherein however, the operating pressure is 95 atmospheres. In this case it decreases compared the amount of gas recirculated from the methanol separation stage 131 by 45% with Examples 1 and 2. Accordingly, the compressors of the compression stage 134 be smaller, and they consume less energy than when operating according to the example 1.

Beispiel 4 (Vergleichsbeispiel) Es wird die in Figur 7 schematisch gezeigte Anlage benutzt. Diese hat vier Reaktoren 161, 162, 163 und 164, von denen Jeder einen Ammoniaksynthesekatalysator enthält und adiabatisch gefahren wird, wobei zwischen Je zwei benachbarten Reaktoren durch die Leitungen 165, 166 und 167 Gas nach der Cold Shot-Nethode eingeführt wird. Eingangsgas aus einem Gemisch von H2:N2 von etwa 3:1 wird durch Leitung 168 der Verdichtungsstufe 169 zugeführt, von wo es über Leitung 171 zu der Heizstufe 170 gelangt. Das Gas gelangt mit einer Eingangstemperatur von 520 0C (d.h. einer Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators) und einem Druck von 221 Atmosphären über Leitung 172 zu dem Reaktor 161 und über den Gasverteiler 173 in die Leitungen 165, 166 und 167. Die Gaseinblasung nach der Cold Shot-Technik über die Leitungen 165, 166 und 167 ermöglicht die Fortsetzung der Reaktion in Jedem der anschließenden Reaktoren 162, 163 und 164. Das den Reaktor 164 verlassende Gas hat die folgende volumenmäßige Zusammensetzung Bestandteil Prozentanteil CH4 13,54 N2 17,88 H2 52,40 NH3 16,18 Es gelangt an eine Anoniaktrennstufe 174, aus der das Azmo niak über Leitung 175 abgezogen wird. Uber Leitung 176 wird ein Abstoß entnommen, um die Ansammlung von nicht reaktionsfähigen Bestandteilen, wie Methan, zu vermeiden.Example 4 (comparative example) The one shown in FIG. 7 is shown schematically shown system used. This has four reactors 161, 162, 163 and 164, of which Each contains an ammonia synthesis catalyst and is operated adiabatically, wherein between two adjacent reactors through lines 165, 166 and 167 gas introduced by the cold shot method. Inlet gas from a mixture of H2: N2 of about 3: 1 is fed through line 168 to compression stage 169, from where it reaches the heating stage 170 via line 171. The gas arrives at an inlet temperature of 520 0C (i.e. a temperature above the light-off temperature of the catalytic converter) and a pressure of 221 atmospheres via line 172 to reactor 161 and above the gas distributor 173 in the lines 165, 166 and 167. The gas injection after the Cold shot technology via lines 165, 166 and 167 enables the continuation the reaction in each of the subsequent reactors 162, 163 and 164. That is the reactor 164 leaving gas has the following volumetric composition constituent percentage CH4 13.54 N2 17.88 H2 52.40 NH3 16.18 It reaches an anonia separation stage 174, from which the azmo niac is withdrawn via line 175. Over line 176 is a repulsion taken to prevent the accumulation of non-reactive components, like methane, to avoid.

Beispiel 5 Eine Anlage der in Figur 6 schematisch dargestellten Art wird zur Ammoniaksynthese benutzt. Ein Gasgemisch mit einem Verhältnis H2:N2 von 3:1 wird durch Leitung 135 eingeführt, und aus der Ammoniakabtrennstufe 131 wird durch Leitung 132 Ammoniak abgezogen. Wie bei den Beispielen 2 und 3 wird der Reaktor 151 adiabatisch betrieben. Der Reaktor 152 wird im Gleichstrom mit einem zirkulierenden Gemisch geschmolzener Salze gekühlt, das unter der Bezeichnung Hitec erhältlich ist (Hitec ist ein Gemisch aus 50 % NaN02 und 50 X Kr03).Example 5 A plant of the type shown schematically in FIG. 6 is used for the synthesis of ammonia. A gas mixture with an H2: N2 ratio of 3: 1 is introduced through line 135 and the ammonia separation stage 131 becomes withdrawn through line 132 ammonia. As in Examples 2 and 3, the reactor 151 operated adiabatically. The reactor 152 is circulating in cocurrent with a Cooled mixture of molten salts, available under the name Hitec (Hitec is a mixture of 50% NaN02 and 50 X Kr03).

Beide Reaktoren 151 und 152 enthalten einen konventionellen Ammoniaksynthesekatalysator. Die Anlage wird mit einer Eingangstemperatur am Reaktor 151 von 400 0C (einer Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators) und mit einer Gasaustrittstemperatur am Reaktor 152 von 450 °C gefahren. Die Austrittstemperatur am Reaktor 151 liegt in der Gegend von 500 °C. Der Betriebsdruck beträgt 120 Atmosphären.Both reactors 151 and 152 contain a conventional ammonia synthesis catalyst. The system is operated with an inlet temperature at reactor 151 of 400 0C (a temperature above the light-off temperature of the catalyst) and with a gas outlet temperature driven at the reactor 152 of 450 ° C. The outlet temperature at reactor 151 is around 500 ° C. The operating pressure is 120 atmospheres.

Die Kompressoren der Verdichtungsstufe 134 und ihr Energieverbrauch sind daher kleiner als bei der Ausführungsform nach Beispiel 4. Die Zusammensetzung des Ausgangsgases des Reaktors 152 stimmt mit der Ausgangsgaszusammensetzung des Beispiels 4 überein.The compressors of compression stage 134 and their energy consumption are therefore smaller than in the embodiment according to Example 4. The composition of the starting gas of the reactor 152 agrees with the starting gas composition of the Example 4 match.

Beispiel 6 (Vergleichsbeispiel) Eine Methanolanlage der in Figur 5 gezeigten Art wird mit einer Gaseintrittstemperatur zu dem Reaktor 121 von 210 °C und mit einem Druck von 50 Atmosphären betrieben. Die Austrittstemperatur am Reaktor 125 beträgt 270 °C. Die Gaszirkulationsgeschwindigkeit liegt bei 1 211 963 m3/h bei einer Abstoßrate über Leitung 136 von 6,52 %. Die Methanolkonzentration in Leitung 130 beträgt 3,65 %. Zur Ergänzung wird durch Leitung 135 Synthesegas (H2:CO 2:1) mit einer Geschwindigkeit von 182 062 m3/h zugesetzt.Example 6 (comparative example) A methanol plant of the type shown in FIG The type shown is with a gas inlet temperature to the reactor 121 of 210 ° C and operated at a pressure of 50 atmospheres. The outlet temperature at the reactor 125 is 270 ° C. The gas circulation rate is 1 211 963 m3 / h with a rejection rate over line 136 of 6.52%. The methanol concentration in line 130 is 3.65%. In addition, synthesis gas (H2: CO 2: 1) is supplied through line 135 added at a rate of 182 062 m3 / h.

Beispiel 7 Eine Methanolanlage der in Figur 6 gezeigten Art wird mit einer Gaszirkulationsgeschwindigkeit von 1 211 963 m3/h betrieben. Die Eingangstemperatur zu dem Reaktor 151 beträgt 210 dC, und die Ausgangs temperatur dieses Reaktors liegt in der Gegend von 280 bis 290 00. Die Ausgangstemperatur des Reaktors 152 beträgt 210 00. Der Reaktor 152 ist mit Wasser gekühlt und fungiert daher als Abhitzekessel. Die Abstoßrate durch Leitung 136 liegt bei 3,2 %, und der Methanolgehalt des Gases in Leitung 130 bei 3,65 %. Es wird Jedoch zur Ergänzung Synthesegas (H2:CO 2:1) über Leitung 135 mit einer Geschwindigkeit von 144 990 m3/h zugesetzt, eine Verringerung von 20,4 %, verglichen mit Beispiel 6. Dies stellt eine bedeutende Ersparnis bei den Anlage- und Betriebskosten der Synthesegasanlage dar, die das Aufstärkungsgas liefert.Example 7 A methanol plant of the type shown in Figure 6 is with operated at a gas circulation rate of 1 211 963 m3 / h. The inlet temperature to the reactor 151 is 210 dC, and the output temperature of this reactor is in the region of 280 to 290 00. The outlet temperature of the reactor 152 is 210 00. The reactor 152 is cooled with water and therefore functions as a waste heat boiler. The rejection rate through line 136 is 3.2% and the methanol content of the gas in line 130 at 3.65%. However, it is used to supplement synthesis gas (H2: CO 2: 1) added via line 135 at a rate of 144,990 m3 / h, a reduction of 20.4% compared to Example 6. This provides a significant saving the plant and operating costs of the synthesis gas plant, which the fortifying gas supplies.

Obgleich der Abstoßstrom im Vergleich zu Beispiel 6 geringer ist und demzufolge in dem Gesamtprozess weniger Abgas als Energiequelle zur Verfügung steht, werden die Kosten für den Zusatzbrennstoff, der zur Ergänzung des als Energiequelle dienenden Abstoßstroms benötigt wird, durch die Verringerung der Betriebskosten der Synthesegasanlage mehr als ausgeglichen. Although the repulsion current is lower compared to Example 6 and consequently less exhaust gas is available as an energy source in the overall process is the cost of the additional fuel that is used to supplement the energy source serving repulsive current is required by reducing the operating costs of the synthesis gas plant more than balanced.

Figur 8 zeigt die prozentualen Gleichgewichtsumsatzkurven in einem Temperatur- und I)ruckbereich bei einmaligem Durchgang durch einen Methanolsynthesereaktor und Einsatz eines stöchiometrischen Beschickungsgases (CO + 2 H2). Diese Umsatzkurven können aus verfügbaren thermodynamischen Daten gezeichnet werden. Bei einer konventionellen Methanolanlage ist die Zusammensetzung des den Reaktor verlassenden Gemisches durch die Austrittstemperatur bestimmt. Wenn das Katalysatorbett ausreichend groß ist, nähert sich die Ausgangsgaszusammensetzung der Gleichgewichtszusammensetzung bei dieser Temperatur an. Bei der Auslegung eines Methanolreaktors wird Jedoch gewöhnlich angenommen, daß die Zusammensetzung des Ausgangsgases der Zusammensetzung eines Gleichgewichtsgemisches bei einer etwas oberhalb der Austrittstemperatur liegenden Temperatur entspricht. So kann das aus einem Reaktor bei 260 0C austretende Gas angenähert die Zusammensetzung eines Gleichgewichtsgemisches bei 288 °C haben. Figure 8 shows the percentage equilibrium conversion curves in one Temperature and pressure range for a single pass through a methanol synthesis reactor and using a stoichiometric feed gas (CO + 2 H2). These sales curves can be drawn from available thermodynamic data. With a conventional one Methanol plant is determined by the composition of the mixture leaving the reactor the outlet temperature is determined. If the catalyst bed is sufficiently large, the starting gas composition approaches the equilibrium composition at this temperature. However, when designing a methanol reactor, it is common assumed that the composition of the starting gas is the composition of a Equilibrium mixture at a slightly above the outlet temperature Temperature corresponds. This is how the gas emerging from a reactor at 260 ° C. can be used have approximately the composition of an equilibrium mixture at 288 ° C.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt eine erste im wesentlichen adiabatische Reaktionsatufe, an die sich eine außengekühlte Reaktionsstufe anschließt. Wenn das Verfahren bei einer Methanolanlage mit einem außengekühlten tatalysatorbett (oder Bettteil) im Anschluß an ein im wesentlichen adiabatisch betriebenes Katalysatorbett (oder Bettteil) angewandt wird, kann die Austrittstemperatur verringert werden. The method according to the invention essentially comprises a first adiabatic reaction stage, followed by an externally cooled reaction stage. If the process is used in a methanol plant with an externally cooled catalyst bed (or bed part) following an essentially adiabatically operated catalyst bed (or bed part) is used, the outlet temperature can be reduced.

Beispiel 8 (Vergleichsbeispiel) Ein adiabatischer Methanolreaktor, der einen konventionellen Nethanolsynthesekatalysator enthält, wird mit einem Gemisch aus CO und H2 im Verhältnis 1:2 mit einer Eintrittstemperatur von 210 0C beschickt. Die Austrittstemperatur liegt bei 260 0C und der Druck bei 100 Atmosphären. Wie aus Figur 8 ersichtlich ist, liegt der prozentuale Umsatz des CO angenähert bei 50 %, entsprechend einer Gleichgewichtstemperatur von 288 °C.Example 8 (comparative example) An adiabatic methanol reactor, which contains a conventional nethanol synthesis catalyst, is with a mixture charged from CO and H2 in a ratio of 1: 2 with an inlet temperature of 210 ° C. The outlet temperature is 260 ° C. and the pressure is 100 atmospheres. As As can be seen from FIG. 8, the percentage conversion of CO is approximately 50%, corresponding to an equilibrium temperature of 288 ° C.

Beispiel 9 Der Reaktor der Figur 4(c) ist mit dem gleichen Methanolsynthesekatalysator gefüllt, wie er in Beispiel 8 verwendet wurde. Der Reaktor wird mit dem gleichen CO:H2-Gemisch ebenfalls mit einer Eintrittstemperatur von 210 °C beschickt.Example 9 The reactor of Figure 4 (c) uses the same methanol synthesis catalyst filled as used in Example 8. The reactor is using the same CO: H2 mixture also charged with an inlet temperature of 210 ° C.

Die in der adiabatischen Reaktionszone 38 erreichte Maximaltemperatur liegt in dem Bereich von etwa 282 bis etwa 291 °C, mit welcher Temperatur das Gemisch in die zweite Reaktions- Zone 31 eintritt. Die Austrittstemperatur der zweiten Reaktionszone 31 verringert sich in diesem Falle auf 204 °C. Das Kühlmittel ist Wasser, so daß die zweite Reaktionszone als Abhitzekessel wirkt. Aus Figur 8 ist ersichtlich, daß bei einem Betriebsdruck von 100 Atmosphären der prozentuale CO-Umsatz auf etwa 77 % gesteigert wird entsprechend einer Gleichgewichtstemperatur von 232 °C.The maximum temperature reached in the adiabatic reaction zone 38 is in the range of about 282 to about 291 ° C, at which temperature the mixture in the second reaction Zone 31 enters. The outlet temperature the second reaction zone 31 is reduced to 204 ° C. in this case. The coolant is water, so that the second reaction zone acts as a waste heat boiler. From Figure 8 it can be seen that at an operating pressure of 100 atmospheres, the percentage CO conversion is increased to about 77% corresponding to an equilibrium temperature of 232 ° C.

Beispiel 10 Die Arbeitsweise des Beispiels 9 wird bei einem Betriebsdruck von 33 Atmosphären wiederholt. Man erreicht einen CO-Umsatz von etwa 50 %.Example 10 The procedure of Example 9 is at an operating pressure repeated from 33 atmospheres. A CO conversion of about 50% is achieved.

Aus den Beispielen 9 und 10 ist derzufolge ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren dazu dienen kann, bei der Methanol synthese im Vergleich zu der üblichen, durch Beispiel 8 dargestellten Arbeitsweise die Ausbeute Je Durchgang zu steigern oder den Betriebsdruck bei gleicher Umsatzausbeute Je Durchgang zu verringern. Demzufolge erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Verringerung der für eine Maximierung der Methanolproduktion erforderlichen Anzahl der Reaktionsstufen oder es ergeben sich ein verringerter Kapitalaufwand und kleinere Betriebskosten für die Gaskompression. From Examples 9 and 10 it can be seen that the inventive Process can serve in the methanol synthesis compared to the usual, the procedure illustrated by Example 8 to increase the yield per pass or to reduce the operating pressure with the same conversion yield per pass. As a result the method according to the invention allows a reduction in the amount required for a maximization the number of reaction stages required for methanol production or it result reduced capital and operating costs for gas compression.

Figur 9 zeigt eine ähnliche Reihe von prozentualen Gleichgewichtsumsatzkurven in einem Temperatur- und Druckbereich für die Ammoniaksynthese. In diesem Falle ist das Beschickungsgas ein Gemisch von H2 und N2 im Verhältnis 3:1. Figure 9 shows a similar series of percent equilibrium conversion curves in a temperature and pressure range for ammonia synthesis. In this case the feed gas is a mixture of H2 and N2 in proportion 3: 1.

Auch diese Kurven konnen aus veröffentlichten thermodynamischen Daten zusammengestellt werden.These curves can also be obtained from published thermodynamic data be put together.

Beispiel 11 (Vergleichsbeispiel) Ein Ammoniaksynthesereaktor wird adiabatisch bei einem Druck von 220 Atmosphären mit einem Beschickungsgasgemisch von H2 und N2 im Verhältnis 3:1 betrieben. Die Eintrittstemperatur ist 399 °C und die Austrittstemperatur 482 °C. Das Austrittsgas entspricht einem Gleichgewichtsgemisch bei 510 0C. Der Umsatz beträgt 26 bis 30 %.Example 11 (comparative example) An ammonia synthesis reactor is used adiabatically at a pressure of 220 atmospheres with a feed gas mixture operated by H2 and N2 in a ratio of 3: 1. The inlet temperature is 399 ° C and the outlet temperature is 482 ° C. The outlet gas corresponds to an equilibrium mixture at 510 0C. The conversion is 26 to 30%.

Beispiel 12 In einen mit einem herkömmlichen Ammoniaksynthesekatalysator gefüllten Reaktor der in Figur 4(c) dargestellten Art wird das gleiche Eintrittsgas wie in Beispiel 11 unter einem Druck von 75 Atmosphären und einer Eintrittstemperatur von 399 oC eingesetzt. Dde Austrittstemperatur am Abstrtmende des Reaktors beträgt 399 0C entsprechend einem 26 bis 30 siegen Umsatz von Stickstoff zu Ammoniak bei einer Gleichgewichtstemperatur von 427 0C. Das Kühlmittel ist das oben erwähnte geschmolzene Salzgemisch Hitec. Das Kühlmittel fließt im Gleichstrom mit dem Gasgemisch. Alternativ kann auch ein Gegenstrom Anwendung finden. Die erreichte Spitzentemperatur liegt bei etwa 504 °C.Example 12 In one with a conventional ammonia synthesis catalyst filled reactor of the type shown in Figure 4 (c) has the same inlet gas as in Example 11 under a pressure of 75 atmospheres and an inlet temperature used at 399 oC. The outlet temperature at the outlet end of the reactor is 399 ° C. corresponding to a 26 to 30 conversion of nitrogen to ammonia an equilibrium temperature of 427 0C. The coolant is the one mentioned above melted salt mixture Hitec. The coolant flows in cocurrent with the gas mixture. Alternatively, a countercurrent can also be used. The peak temperature reached is around 504 ° C.

Beispiel 13 Die Arbeitsweise des Beispiels 12 wird mit einem Druck von 220 Atmosphären und den gleichen Eintritts- und Austrittstemperaturen wiederholt. Es wird ein Umsatz von Stickstoff zu Ammoniak von etwa 48 % erreicht.Example 13 The procedure of Example 12 is with one print of 220 atmospheres and the same inlet and outlet temperatures. A conversion of nitrogen to ammonia of about 48% is achieved.

Durch Vergleich des Beispiels 11 mit dem Beispiel 12 oder 13 ist ersichtlich, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, entweder bei gleichem Umsatz wie mit einer konventionellen Ammoniaksyntheseanlage den Betriebsdruck der Anlage zu verringern oder bei gleichem Druck einen höheren Umsatz Je Durchgang zu erreichen. Auf diese Weise werden die Anlage- und Betriebskosten für die Gaskompression verringert, oder die Rückführleitung mit den zugehörigen Hilfseinrichtungen kann verkleinert werden. Comparing Example 11 with Example 12 or 13 is apparent that it is possible with the method according to the invention, either at the same conversion as with a conventional ammonia synthesis plant the operating pressure of the system or, with the same pressure, a higher conversion per pass to reach. In this way, the plant and operating costs for the gas compression reduced, or the return line with the associated auxiliary equipment can can be reduced in size.

Beispiele 14 und 15 In diesen Beispielen wird die Kohlenoxidkonvertierung katalytisch durchgeführt einerseits (Beispiel 14) unter Benutzung eines herkömmlichen einstufigen adiabatischen Konverters und andererseits (Beispiel 15) in einem Konverter, der in Figur 4(c) dargestellten Art. Der Katalysator ist ein Eisenoxid mit Chrom als Promotor. Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefaßt: Einheiten Be spiel 14 Beispiel 15 (Vergleich) Gasgeschwindigkeit, feucht Em3/h 100 000 100 000 Katalysatorvolumen m3 46,3 37,0 Eintrittstemperatur °C 340 400 Austrittstemperatur 0c 510 400 In Beispiel 15 beträgt die in der adiabatischen Reaktionszone 38 erreichte Maximaltemperatur 516,5 °C. Die in der Tabelle angegebene Austrittstemperatur ist die Temperatur des Austritts aus der Zone 31.Examples 14 and 15 These examples use carbon oxide conversion carried out catalytically on the one hand (Example 14) using a conventional one single-stage adiabatic converter and on the other hand (example 15) in a converter, of the type shown in Figure 4 (c). The catalyst is an iron oxide with chromium as a promoter. The results are summarized below: units Example 14 Example 15 (comparison) Gas velocity, wet Em3 / h 100 000 100 000 catalyst volume m3 46.3 37.0 inlet temperature ° C 340 400 outlet temperature 0c 510 400 In Example 15, that reached in the adiabatic reaction zone 38 is Maximum temperature 516.5 ° C. The outlet temperature given in the table is the temperature of the exit from zone 31.

In Jedem Falle sind die Eintritts- und Austrittsgaszusammensetzungen wie folgt: Eintritt (Mol-%) Austritt (Mol-j6) Inerte Bestandteile 0,750 0,750 CO2 1,903 17,843 CO 20,290 4,350 H2 17,870 33,770 H20 59,187 43,287 Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Einsparungen an Katalysatorvolumen sind aus den oben zu den Beispielen 14 und 15 dargelegten Ergebnissen offensichtlich. Außerdem ist zu erwarten, daß der Katalysator am Abströmende des in Beispiel 15 eingesetzten Reaktors eine längere Lebensdauer als den Katalysator am Abströmende des entsprechenden Reaktors von Beispiel 14 hat, da er eine tiefere Temperatur hat Beispiel 16 In diesem Beispiel wird synthetisches Erdgas SNG dadurch erzeugt, daß man ein Synthesegas der folgenden Zusammensetzung Vol.-% CH4 0,434 CO 24,822 H2 74,466 N2 0,278 durch einen adiabatischen Reaktor schickt, der einen Nickel-Methanierungskatalysator enthält. Die Eintrittstemperatur beträgt 520 0C und der Eintrittsdruck 68 Atmosphären. Das aus dem Reaktor austretende Gas befindet sich im wesentlichen im Gleichgewicht, hat eine Temperatur von 950 0C und enthält 9,3 Vol.-% Methan. Dieses Gas wird dann einem mit dem gleichen Katalysator gefüllten außengekühlten Reaktor (z.B. einem mit einem Abhitzekessel ausgestatteten Rohrreaktor) zugeführt. In each case, the inlet and outlet gas compositions are as follows: inlet (mol%) outlet (mol-j6) inert components 0.750 0.750 CO2 1.903 17.843 CO 20.290 4.350 H2 17.870 33.770 H20 59.187 43.287 The with the invention Achievable savings in catalyst volume are from the above to the method Results presented in Examples 14 and 15 are apparent. It is also to be expected that the catalyst at the downstream end of the reactor used in Example 15 a longer service life than the catalyst at the downstream end of the corresponding reactor from Example 14 because it has a lower temperature Example 16 In this example Synthetic natural gas SNG is produced by making a synthesis gas of the following Composition% by volume CH4 0.434 CO 24.822 H2 74.466 N2 0.278 by an adiabatic Sends reactor containing a nickel methanation catalyst. The inlet temperature is 520 0C and the inlet pressure is 68 atmospheres. The one emerging from the reactor Gas is essentially in equilibrium, has a temperature of 950 0C and contains 9.3% by volume methane. This gas then becomes one with the same catalyst Filled, externally cooled reactor (e.g. one equipped with a waste heat boiler Tubular reactor) fed.

Die Kühlmittelströmnng kann im Gegenstrom oder im Gleichstrom erfolgen. Die Austrittstemperatur beträgt 280 0C. Das Produktgas enthält 95,11 % Methan und hat einen Heizwert von 8450 kcal/Nm3.The coolant flow can be countercurrent or cocurrent. The outlet temperature is 280 ° C. The product gas contains 95.11% methane and has a calorific value of 8450 kcal / Nm3.

Beispiel 17 (a) Ein Beschickungsgas für die Anoniaksynthese mit einem Volumenverhältnis H2:N2 von 3:1 und einer geringen Konzentration an Inertbestandteilen (weniger als 0,5 Vol.-%) und mit einem Gehalt von etwa 3 Vol.-% zurückgeführtem Ammoniak wird mit 212 Atmosphären einem herkömmlichen Reaktor mit direkter Abschreckkühlung und drei adiabatischen Stufen mit Ealtgaseinblasung zwischen den Stufen zugeführt. Die Eintrittstemperatur zur ersten Stufe ist etwa 400 °C. Das Austrittsgas von der dritten adiabatischen Stufe ist auf etwa 490 0C und enthält 16,5 % Ammoniak. Die Temperatur/Konzentrationskurve ist in Figur 10 als Linie A-A gezeigt. Die Linien D-D und E-E sind die Gleichgewichtskurve bzw. die Kurve maximaler Reaktionsgeschwindigkeit.Example 17 (a) A feed gas for anonia synthesis with a Volume ratio H2: N2 of 3: 1 and a low concentration at Inert components (less than 0.5% by volume) and with a content of about 3% by volume recycled ammonia is a conventional reactor with 212 atmospheres direct quench cooling and three adiabatic stages with cold gas injection between fed to the stages. The inlet temperature to the first stage is around 400 ° C. The exit gas from the third adiabatic stage is at about 490 ° C and contains 16.5% ammonia. The temperature / concentration curve is shown in Figure 10 as line A-A shown. Lines D-D and E-E are the equilibrium curve and the curve of maximal, respectively Reaction speed.

(b) Das gleiche Beschickungsgas wie in dem vorstehenden Abschnitt (a) wird mit 360 °C und 212 Atmosphären einem zweistufigen Konverter mit indirekter Abschreckkuhlung zugeführt.(b) The same feed gas as in the previous section (a) is using a two-stage converter with indirect at 360 ° C and 212 atmospheres Quench cooling fed.

Die Austrittstemperatur beträgt wiederum 490 °C und die Amminiakkonzentration 17,5 %. Die Temperatur/Konzentrationskurve ist in Figur 10 als Linie B-B dargestellt. Das gatalysatorvolumen ist das gleiche wie bei dem Reaktor mit direkter Abschreckkühlung des vorstehenden Absatzes (a).The outlet temperature is again 490 ° C and the ammonia concentration 17.5%. The temperature / concentration curve is shown in Figure 10 as line B-B. The catalyst volume is the same as the direct quench reactor of the previous paragraph (a).

(c) Das gleiche Beschickungsgas wie in den vorstehenden Absätzen (a) und (b) wird mit 420 °C und 212 Atmosphären einem mit einer Vielzahl von Röhren ausgestatteten Reaktor der in Figur 4(c) gezeigten Art mit Gleichstrom-Salzkühlung (unter Verwendung des geschmolzenen Salzgemisches Hitec) zugeführt.(c) The same feed gas as in paragraphs (a) above and (b) at 420 ° C and 212 atmospheres becomes one with a plurality of tubes equipped reactor of the type shown in Figure 4 (c) with cocurrent salt cooling (using Hitec's molten salt mixture).

Die Temperatur am Austritt aus der ungekühlten adiabatischen Zone 38 beträgt etwa 510 °C. Der Hot Spot befindet sich in der zweiten gekühlten Reaktionszone 31 bei etwa 520 °C. Die Austrittstemperatur am Abströmende der gekühlten Reaktionszone 31 beträgt 460 °C, wobei eine Ammoniakkonzentration von 20,0 % erzeugt wird. Die Temperatur/Konzentrationskurve ist die Linie C-C in Figur 10. Das Katalysatorvolumen ist das gleiche wie bei den Reaktoren mit direkter und indirekter Abschreckkühlung gemäß den vorstehenden Absätzen (b) und (c).The temperature at the exit from the uncooled adiabatic zone 38 is about 510 ° C. The hot spot is located in the second cooled reaction zone 31 at around 520 ° C. The outlet temperature at the downstream end of the cooled reaction zone 31 is 460 ° C, producing an ammonia concentration of 20.0%. the The temperature / concentration curve is line C-C in Figure 10. The catalyst volume is the same as the direct and indirect quench cooling reactors in accordance with paragraphs (b) and (c) above.

Diese Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt: Tabelle Druck Prozent NR in den Gasen beim3Verlas-(a)Rerkömmlicher Konverter ata sen des Reaktors mit direkter Abschreckkühlung (Cold Shot) 212 16,5 (b)Konverter mit indirekter Abschreckkühlung 212 17,5 (c)erfindungsgemäßer Konverter 212 20,0 Derzufolge ist ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise der Umsatz je Durchgang um wenigstens 2,5 % erhöht werden kann, verglichen mit den gegenwärtigen technischen Reaktorkonstruktionen unter der Annahme eines gleichen Katalysatorinhalts in Jedem Fall. These results are summarized in the following table: Table Pressure Percent NR in the gases at the 3 exit (a) R Conventional converter ata sen Reactor with direct quench cooling (Cold Shot) 212 16.5 (b) Converter with indirect Quench Cooling 212 17.5 (c) Converter 212 According to the Invention 212 20.0 Accordingly it can be seen that the conversion per pass in the procedure according to the invention can be increased by at least 2.5% compared to the current technical Reactor designs assuming the same catalyst content in each Case.

Claims (7)

Patentansprüche 1. Verfahren zur Durchführung einer reversiblen exothermen Gasphasenreaktion, bei der ein Beschickungsstrom mit einem oder mehreren gasförmigen Reaktanten exotherm und reversibel in einer oder mehreren, einen die exotherme Reaktion katalysierenden Katalysator enthaltenden Reaktionszonen unter Bildung von einem oder mehreren gasförmigen Produkten reagiert, dadurch gekennzeichnet, daß man den Beschickungsstrom mit einer ersten Temperatur einer ersten Reaktionszone zufhhrt, in dieser unter im wesentlichen adiabatischen Reaktionsbedingungen reagieren und dabei eine zweite Temperatur erreichen läßt, die höher als die erste Temperatur, Jedoch unterhalb der Inaktivierungstemperatur des Katalysators liegt, das resultierende Gasgemisch dann im wesentlichen mit der zweiten Temperatur einer zweiten außengekühlten Reaktionszone zuführt, die Reaktionswärme aus dem Gas strom bei dessen Durchgang durch die zweite Reaktionszone fortlaufend abführt und das Produktgemisch mit einer unterhalb der zweiten Temperatur liegenden dritten Temperatur aus der zweiten Reaktionszone abzieht. Claims 1. A method for performing a reversible exothermic Gas phase reaction in which a feed stream with one or more gaseous Reactants exothermic and reversible in one or more, one the exothermic reaction catalyzing catalyst containing reaction zones to form one or more gaseous products reacts, characterized in that the Supplies feed stream at a first temperature to a first reaction zone, react in this under essentially adiabatic reaction conditions and allows a second temperature to be reached which is higher than the first temperature, However, below the inactivation temperature of the catalyst, the resulting Gas mixture then essentially at the second temperature of a second externally cooled one Reaction zone feeds the heat of reaction from the gas stream as it passes through discharges continuously through the second reaction zone and the product mixture with a third temperature from the second reaction zone which is below the second temperature withdraws. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Beschickungsstrom einen Gasanteil enthält, der von einer Stelle abstrosseitig der zweiten Reaktionszone zurückgefhhrt wurde. 2. The method according to claim 1, characterized in that the gaseous Feed stream contains a gas portion, from one place was returned on the offshoot side of the second reaction zone. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die dritte Temperatur gleich oder niedriger als die erste Temperatur wählt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the third temperature is chosen to be equal to or lower than the first temperature. 4. Verfahren nach einen der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsstrom ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff enthalt und der Katalysator der ersten und zweiten Reaktionszone ein Ammoniaksynthesekatalysator ist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the feed stream contains a mixture of nitrogen and hydrogen and the catalyst of the first and second reaction zones is an ammonia synthesis catalyst is. 5. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsstrom ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält und der Katalysator der ersten und zweiten Reaktionazone ein ethano1synthesekatalysator ist. 5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the feed stream contains a mixture of hydrogen and carbon monoxide and the catalyst of the first and second reaction zones is an ethano1 synthesis catalyst is. 6. Verfahren nach einen der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsstroz ein Gemisch aus einem oder mehreren Kohlenoxiden und Wasserstoff ist und der Katalysator der ersten und der zweiten Reaktionszone ein Methanierungskatalysator ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the feed stream is a mixture of one or more carbon oxides and hydrogen and the catalyst of the first and second reaction zones is a methanation catalyst is. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsstrom ein Gemisch aus Kohlennonoxid und Wasserdampf enthält, der Katalysator der ersten und zweiten Reaktionszone ein C0-tonvertierungskatalysator ist und die erste und zweite Temperatur wenigstens so hoch wie die Anspringtemperatur des CO-gonvertierungskatalysators der ersten bzw. zweiten Reaktionszone sind. 7. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that the feed stream contains a mixture of carbon monoxide and water vapor, the catalyst of the first and second reaction zones is a CO converting catalyst and the first and second temperatures are at least as high as the light-off temperature of the CO conversion catalyst of the first and second reaction zones, respectively.
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