DE2717101C2 - Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines reduzierenden Gases - Google Patents

Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines reduzierenden Gases

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DE2717101C2 DE2717101A DE2717101A DE2717101C2 DE 2717101 C2 DE2717101 C2 DE 2717101C2 DE 2717101 A DE2717101 A DE 2717101A DE 2717101 A DE2717101 A DE 2717101A DE 2717101 C2 DE2717101 C2 DE 2717101C2
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines reduzierende Bestandteile enthaltenden Gases mit Wasserdampf in einem Druckreaktor, der eine aeussere Druckbehaelterwandung sowie einen Innenbehaelter zur Aufnahme eines Katalysatorvolumens aufweist, wobei zwischen dessen Wandung und der Druckbehaelterwandung ein waermeisolierender Zwischenraum gebildet ist. Der Gasstrom und ein reiner Wasserdampfstrom werden dem Reaktor voneinander getrennt zugefuehrt, von denen der Gasstrom zur katalytischen Umsetzung direkt in den Innenbehaelter einstroemt, waehrend der Wasserdampfstrom wenigstens teilweise vorerst durch den Zwischenraum geleitet und erst danach dem Innenbehaelter zugefuehrt wird. Hierdurch wird erreicht, dass der fuer die katalytische Umsetzung erforderliche Wasserdampf vor seiner Zumischung zum Gas zunaechst im reinen Zustand zur Umspuelung des Innenbehaelters eingesetzt wird, in dem die Reaktion stattfindet. Dabei wird der Gasstrom mit seinen aggressiven Bestandteilen unmittelbar in diesen Innenbehaelter eingeleitet, so dass der Gasstrom und folglich auch dessen aggressiven Bestandteile nicht mit der Druckbehaelterwandung in Beruehrung kommen. Demzufolge kann der Innenbehaelter aus einem relativ duennen Blech aus einfachem und leicht verarbeitbarem Stahl hergestellt werden. Ein Verfahren obengenannter Art wird haeufig zur Co-Methanisierung bzw. Co-Konvertierung angewandt. ...U.S.W

Description

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Größenordnung liegen. Demzufolge kann der Innenbe- Um äie Reaktionswärme ableiten zu können, ragen
hälter aus einem relativ dünnen Blech aus einfachem zwischen die Katalysatorschichten 4 Wärmetauscher und leicht verarbeHba rem Stahl hergestellt werden. zweier weiterer Kühler 12, die über Leitungen 13 und 14
Durch die Wasserdampfführung durch den Zwischen- an ein nicht dargestelltes Kühlsystem angeschlossen raum wird ferner erreich U daß etwaige TemperatursRit- 5 sind. . .
zen, die an den im Innenbehälter gelagerten Katalysato- Lfm an der Behälterwandung ein möglichst geringes
ren auftreten, infolge der kontinuierlichen Wärmeabjei- Teniperaturgefälle zu gewährleisten, unter dessen Eintung nicht auf die Dnickbehälterwandung einwirken. fliü3 der Wasserdampf im Zwischenraum 5 kondensiert. Damit sind ungleiche Wärmeaufnahmen und demzufpl- ist der PnickbehgJter 1 in eine relativ dicke >yärmege ungleiche Wärmeausdehnungen, sqwi&ünterschiedli- to dämmschicht 15 eingepackt
ehe Spannungen in dsr Druckbehälterwandung yerniie- Di^ ini Bereich des Reaktorkopfes aus dem Zwischen-
den. raum? ragende Wasserdampf-Ableitung7 weist vor der
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, Einmündungsstelle an der Gas-Zuleitung 8 ein RegeL-daß sich die Druckbehäiterwandung beim Anfahren des yehtfll6 auf. Für das Ableiten eines Pjampfüberschusjaes Reaktors durch reinen Wasserdämpf aufheizen läßt, be- 15 zweigt vor diesem Ventil 16 ein zurück zum Wasservor das Gas-Wasserdampfgemisch in den Reaktipns- dampferzeuger bzw. dessen Zuleitung 6 führendes raum im Innenbehälter eingeleitet wird. Das hierbei ent- Rücklaufrohr 17 mit einem Regelventil 18 ab.
stehende Anfahrkondensat enthalt fÖlglicK keine schäd- Ebenfans von der im Bereich des Reaktorbodens in
liehen, zu Korrosionen führende Gasbestandteile wie den Druckbehälter 1 einmündenden WasRerdampf-Zubeispielsweise Kohlendioxyd und läßt sich auch leicht 20 leitung 6 zweigt noch vor den Einmündungsstelle ein abziehen. Wasserdampf-Umleitungsrohr 19 ab, das außerhalb des
Wird mehr Wasserdampf benötigt, als durch den Zwi- Druckbehälter! 1 verläuft und im Bereich 4es Reaktorschenraum zur Einhaltung der Verfahreristeniperaiisr kopfes neben der Wasserdampf-Abieitüi.ig.T,direkt hl geleitet werden muß, so kann in weiterer Äusgestsiiung die Gas-Zuleitung 8 mündet Auch hier sitze vor der des Verfahrens vorgesehen sein, einen zweiten Wasser- 25 Einmündungsstelle am Wasserdampf-Umleitungsrohr dampfstrom neben dem Zwischenraum direkt dem Gas- 19 ein Ventil 20, mit dem lediglich bei Bedarf eiiie zustrom zuzuführen. : .- sätzliche Wasserdampfmenge durchgeleitet und regu-
Vorzugsweise wird der Wasserdampfstrpm dem Zwi- liert wird, und zwar nur eine solche Wasserdampfmenschenraum unter dem gleichen bzw. zum Ausgleich yon ge, wie sie über die durch den Zwischenraum 5 strömenzwischen dem Eintritt in den Zwischenraum und dem 30 de Wasserdampfmenge hinaus für die Umsetzung erfor-Eintritt in den Innenbehälter auftretenden Druckverhi- derlichist
sten, unter einem wenig höheren Drück als dem Gasr Der Wasserdampf wird vorzugsweise leicht überhitzt
strom im Innenbehälter zugeleitet : : von einem Fremderzeuger durch die Zuleitung 6 unter
Falls die katalytische Umsetzung im Innenbehälter einem Druck von 16 bis 101 bar und mit einer Temperaunter so erheblicher Wärmeentwicklung erfolgt (daß die 35 tür von 500 bis 7000K eingespeist Der Druck des Gas-Kühlung des Innenbehälters duch den dem Zwischen- stromes in der Zuleitung 8 ist etwa gleich dem des Wasraum zugeführten Dampf allein nicht ausreicht, kann serdampfes, jedoch vorzugsweise um ein bar geringer, äsr Wasserdanipfstrofn zusätzlich rüdsg^kühlt weöierL / beispielsweise 15 bis 100 bar. Dagegen liegt die Tempevorzugsweise durch Einspritzen von Wassert ratuf dieses Gasstromes vor dem Eintritt in den Innen-
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der 40 behälter 2 vorteilhaft um etwa 30" K höher als die Wäs-Zcichnung schematisch dargestellten Äusführiingsbei- serdampftemperatur, um beim Durchströmen der Katäspiels des näheren erläutert ":-\'-. {ysatorschichten die erforderliche Zündtemperatur zu
Der im Längsschnitt dargestellte pruckreaktor bildet gewähHiisten. Einem exothermen Aufheizen des Gaseinen CO-Konverter, in weichen das im Ensatzgas ent- Wasserdampf-Gemisches an den Katalysatorschichten haltende Kohlenmonoxyd mittels Wasserdampf an ei- 45 wirkt der Kühler 12 derart entgegen, daß an den&atalynem Katalysator zu Wasserstoff und Kohlendioxyd um- satpren höhere Temperaturen als 750° K nicht auftreten, gesetzt wird. Beim Anfahren wird zunächst der Druckbehälter 1
In einem Druckbehälter 1 befindet sich ein geschlos- mittels durch die Zuleitung 6 dem Zwischenraum 5 zusener Innen- bzw. Katalysatorbehälter 2 mit drei quer- geführten reinen Wasserdampfs mit einer Temperatur liegenden, übereinander angeordneten Katalysatorhai- 50 von 623° K und eines geringen Drucks von 1 bar aufgelerungen 3, auf denen Katalysatorschichten 4 aus Eisen- heizt Das entstehende Dampfkondensat wird über den Gemischen ruhen. Zwischen der Druckbehälterwand Stutzen 10 abgezogen. Erst nach dem Aufheizen wird und der Innenbehälterwand verbleibt ein ringförmiger der Wasserdampf über öie mit der Gas-Zuleitung 8 verZwischenraum 5, der mit dem Innenraum des Katalysa- bundene kopfseitige Ableitung 7, dem erst von diesem torbehälters 2 nicht in unmittelbarer Verbindung steht 55 Zeitpunkt; an ebenfalls durch die Zuleitung 8 in den
I η den Zwischenraum 5 mündet in Bodennähe eine Was- Innenbehälter 2 einströmenden CO-haltigen Gas beigeserdampf Zuleitung 6 und im Kopfbereich eine Wasser- mischt, das aus ca. 29 ?fol.-% CO, 40 Vol.-%, ί VpL-% dampf-Ableitung 7, neben der sich eine bis in den Innen- CO2 und 27 VoL-% CH4 besteht Der Gasstrom weist behälter 2 führende Gas-Zuleitung 8 erstreckt während dann eine Temperatur von 653° K und einen Druck auf, eine Gas-Ableitung 9 wiederum in Bodennähe verläuft. 60 der in dieser Anfangsphase genauso niedrig wie der Beim Anfahren des Reaktors anfallendes Dampfkon- Druck des Wasserdair.pfes ist. Das Gas gelangt zusamdensat läßt sich durch einen am Boden des Druckbehäl- men mit dem beigemischten Wasserdampf unmittelbar ters 1 befindlichen Stutzen 10 abziehen. . in den Katalysatorbehälter 2 und ,wird ^r^in dej^eif-
In dem Zwischenraum 5 befinden sich-in Höhe der hintereinandergeschalteten Katalysato^lycRenj^irrtlS''
beiden oberen Katalysatorhalterungen 3 zwei, an eine 65 gesetzt Der Druck im Behälter 1 wird nun'iangsarri'auf \
nicht dargestellte Wasserleitung angeschlossene Kühler mindestens 15 bar angehoben und auf den erforderJK '
I1 mit in den Zwischenraum 5 hineinragenden Wasser- dien hohen Betriebsdruck, gebrächt
einspritzdüse!!. Die Reaktionwärme wird derart über den Kühler 12 -
5
abgeführt, daß die Temperatur am obersten Katalysator auf 723"K, am mittleren Katalysator auf 703" K und am untersten Katalysator auf 693*K gehalten wird. Gleichzeitig, trägt auch der den Zwischenraum 5 durchströmende Wasserdampf zu einer ausgleichenden Kühlung an den Behälterwandungen bei. die Wasserdampf fern' peratü£jäßi sich zusätzlich durch Wassereinspritzen mittels der in den Zwischenraum 5 hineinragenden DO-sen der Kühler 11 herabsetzen, wenn beispielsweise an den Katalysatoren erhebliche Temperaturspitzen auftreten und der Wasserdampf überhitzt ist
Über ciie Gas-Abreitung 9 wird das umgesetzte Produkigas mit einer Austrittstemperatur von 693" K abgeführt.
Der beschriebene Druckreaktor ist für ein CO-Konvertieren und Methanisieren geeignet Sowohl die für das Umspülen des Innenbehälters 2 wie die für die Umsetzung innerhalb dieses Innenbehälters 2 jeweils erforderliche Wasserdampfmenge läßt sich durch Einstellen
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bzw. -Rückleitung 17 sowie des Ventils 20 im Wasserdampf-Zuleitungsrohr 19 festlegen. Je nach Bedarf wird dem Gasstrom in der Gas-Zuleitung 8 entweder bei geschlossenem Ventil 20 die Gesamtmenge bzw. ein Teil des den Zwischenraum 5 durchströmten Wasserdampfes oder bei offenem Ventil 20 zusätzlich zu dieser Wasserdampfmenge noch ein außerhalb des Zwischenraumes 5 durch das Zuleitungsrohr 19 zuzuführender Anteil des für die Umsetzung notwendigen Wasserdampfes zugeführt
Da die Druckbehälterwandung während der gesamten Umsetzung innen nur von reinem Wasserdampf mit eingestelltem Druck und ausgeglichener Temperatur beaufschlagt wird, bleibt die Druckbehälterwandung frei von irgendwelchen chemischen oder physikalischen, zu Versprödungen und Korrosion führenden Einflüssen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
40
45
50
55
60
65

Claims (1)

  1. '; ■ ' .;.,-. ι : ■■■,.■ y- ":'■--■■ ■■■■■■ ι-. ■■'·' 2 ".:"·■.■
    .·"'. .-"■.■: i ge- und Reparaturkosten führen.
    Patentansprüche: In der US-PS 3498752 ist-'ein-Druckreaktoraus ei
    nem einen Innenbehälter umgebenden Druckbehältei
    ;, 1. Verfahren zur katalytischen Umsetzung eines bekannt, deren Wandungen mit mindestens annähernc reduzierende Bestandteile enthaltenden Gases mit 5 gleichem Abstand voneinander verlaufen. Zwischer Wasserdampf mittels eines Drisckresiktors, der einen dem Druckbehälter und dem Innenbehälter liegt eir katalysatorgefüllten Innenbehälter aufnimmt einen Zwischenraum. Dieser Zwischenraum weist eine sepa-Wf rmeisolierenden Zwischenraum mit Zu-. und Ab- rate Zuleitung und eine separate Ableitung: aus dem leitung zwBchen dem Innenbehälter und dem äuße- Zwischenraum auf. Durch die Zuleitung'wird ein Kühlren Druckbehälter, eine in den Innenbehälter durch io medium in den Zwischenraum hinein und aurdem Zwiden Zwischenraum hindurchgeführte Gaszuleitung schenraum durch die Ableitung herausgeführt Der Zwi- und eine Gasableitung vom Innenbehälter aufweist, schenraum ist gegenüber dem Innenbehälter gasdicht dadurch gekennzeichnet, daßderWasser- ausgebildet Das Einsatzgas wird in den Innenbehälter dampfstrom wenigstens teilweise durch den Zwi- durch eine durch den Zwischenraum hindurchgeführte schenraum (5) geleitet und erst danach in einer für is Gaszuleitung zugeführt und durch eine entsprechende die katalytische Umsetzung nötigen Menge dem Gasableitung abgeführt Das durch den Zwischenraum Gasstrom vor dessen Eintritt in den Innenbehälter geführte Kühlmittel kann aus dem dem Druckreaktor (2) zugemischt wird. zugeführten Einsatzgas bestehen und nach Durchströ-Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- men des Zwischenraumes dem Innenbehälter zugeführt zeichnet, daß bei einem zusätzlichen Wasserdampf- 20 werden. Das durch den Zwischenraum geleitete Kühlbedarf £]μ zweiter Wasserdampfstrom neben dem gas soll den Druckbehälter vor Wärmespannungen und Zwischesvaum (5) direkt dem Gasstrom zugeführt chemischem Angriff bei hohen Temperaturen schützen.
    ' ,wird. Um dies zu erreichen, muß das in den Zwischenraum
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch eingeführte Gas eine erheblich niedrigere Temperatur gekennzeichnet, daß der Wasserdampfstrom im 25 haben als das dem Innenraum zugeführte Einsatzgas. Zwischenraum (5) sowie der Gasstrom und dessen Dieses Kühlgas erwärmt sich jedoch, so daß es, falls es reduzierende Bestandteile im Innenbehälter (2) un- reduzierende Bestandteile enthält, an der Druckbehälter einem Druck in der gleichen Größenordnung terwandung entweder zu frühzeitigen Kqrrosionsschäliegen. den oder zu hohen Herstellungskosten bei Verwendung
    4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch 30 druckwasserstoffbeständiger Stähle führt
    gekennzeichnet daß der Wasserdampfstrom im Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Zwischenraum (5) rückgekühlt wird. . Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn- dem die Gefahr, daß die reduzierende!? Bestandteile des zeichnet daß Wasstr in den Zwischenraum (5) ein- umzusetzenden Gases an der Druckbehälterwandung gespritzt wird. ' 35 eines im wesentlichen aus einfachem Stahl hergestellten
    Druckbehälters die vorgenannten Korrosionsschäden
    verursachen, weitgehend vermieden und insofern eine
    wirtschaftlichere Herstellung und Betriebsweise des Druckreaktors gewährleistet ist.
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen 40 Die Aufgabe wird nach dsm erfödungsgemäßen VerUmsetzung eines reduzierende Bestandteile enthalten- fahren dadurch gelöst, daß der Wasserdampfstrom we· den Gases mit Wasserdampf mittels eines Druckreak- nigstens teilweise durch den Zwischenraum geleitet und tors, der einen katalysatorgefüllten Innenbehälter auf- erst danach in einer für die katalytische Umsetzung nönimmt, einen wärmeisolierenden Zwischenraum mit Zu- tigen Menge dem Gasstrom vor dessen Eintritt in den und Ableitung zwischen dem Innenbehälter und dem 45 Innenbehälter zugemischt wird,
    äußeren Druckbehälter, eine in den Innenbehälter durch Hierdurch wird erreicht, daß der für die katalytische den Zwischenraum hindurchgeführte Gaszuleitung und Umsetzung erforderliche Wasserdampf vor seiner Zueine Gasableitung vom Innenbehälter aufweist mischung zum Gas zunächst im reinen Zustand zur Um-Ein Verfahren obengenannter Art wird häufig zur spülung des Innenbehälters eingesetzt wird, in dem die CO-Methanisierung bzw. CO-Konvertierung ange- so Reaktion stattfindet. Dabei wird der Gasstrom mit seiwandt. Vorzugsweise beträgt die Temperatur hierbei nen aggressiven Bestandteilen unmittelbar in diesen In-K bis 723 K (3500C bis 4500C). Der Druck liegt nenbehälter eingeleitet, so daß der Gasstrom und folgzwischen 10 und TOO bar. Bei derartigen Reaktionsbe- lieh auch dessen aggressive Bestandteile nicht mit der dingungen, nämlich hoher Temperatur und hohem Druckbehälterwandung in Berührung kommen. Die Druck dringen die reduzierenden Bestandteile wie bei- 55 Druckbehälterwandung, die unvermeidbar auf ihrer Fnspielsweise das Kohlenoxyd und Wasserstoff leicht in nenseite mit einem erheblichen Überdruck beaufschlagt eirie nur aus einfachem Stahl hergestellte Druckbehäl- wird, ist somit vor den Einflüssen der reduzierenden terwandung ein und greifen sie an, demzufolge es zu Gasbestandteile geschützt Der Einsatz von teuren einer Materialversprödung mit frühzeitigen erheblichen druckwasserstoffbeständigen Stählen erübrigt sich da-Korrosionsschäden kommt. 60 her sowohl für den Druckbehälter wie auch für den Besonders legierte Stähle, sogenannte druckwasser- Innenbehälter, denn wenn auch die Wandung des Innenstoffbeständige Stähle, die den genannten Beanspru- behälters dem Gasstrom und dessen reduzierenden Bechungen standhalten, werden wegen der schwierigen standteilen ausgesetzt wird, so erfolgt dies jedoch nicht Verarbeitung nur mit mehr oder weniger Erfolg einge- unter hoher einseitiger Druckbeaufschlagung, die das setzt. Ihr besonderer Nachteil besteht in den hohen es Eindringen der reduzierenden Gasbestandteile begün-Herstcllungskosten, die vor allem aufgrund der beachtli- stigt, sondern bei beiderseitig gleichem Druck, da der chen Größe der Druckreaktoren erheblich ins Gewicht Druck des Gasstromes im Innenbehälter und der des fallen und daher zu wirtschaftlich nicht tragbaren AnIa- Wasserdampfstromes im Zwischenraum in der gleichen
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