DE2751252A1

DE2751252A1 - Verfahren und anlage zum dampfreformieren eines kohlenwasserstoffeinsatzgutes

Info

Publication number: DE2751252A1
Application number: DE19772751252
Authority: DE
Inventors: Richard Allan Sederquist
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-11-16
Publication date: 1978-07-06
Also published as: GB1564992A; CA1084433A; IL53401A; JPS5378992A; US4071330A; FR2375139A1; IL53401A0

Description

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Verfahren und Anlage zum Dampfreformieren eines Kohlenwasserstoff einsatzgutes

Die Erfindung betrifft das Verarbeiten eines Kohlenwasserstoffeinsatzgutes und insbesondere das Dampfreformieren oder Steam-Reforming eines Kohlenwasserstoffeinsatzgutes.

Die Herstellung von Wasserstoff durch das Dampfreformierverfahren ist bekannt. Bei ihm wird ein Gemisch aus Kohlenwasserstoff brennstoff und Wasserdampf, gewöhnlich in Dampfform, durch ein Gefäß hindurchgeleitet, das einen Dampfreformierkatalysator enthält. Das Gefäß ist typischerweise eine mit einem Katalysator gefüllte Röhre, die innerhalb eines Ofens angeordnet ist. Wärme aus dem Ofen bewirkt die endotherme Dampfreformierreaktion. In der gegenwärtigen Technik ist es möglich, sämtliche verfügbaren Kohlenwasserstoffe im wesentlichen in Wasserstoff, Kohlenmonoxid

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und Kohlendioxid umzusetzen. Nachteile der bekannten Verfahren zur Erzielung von sehr hohen Umsetzungsleistungen sind jedoch folgende: 1) hohe Ofentemperaturen, 2) breite oder mehr Reaktoren und 3) das Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff in dem Ofen.

Ein typisches Verfahren zur Erhöhung der Umsetzungsleistung besteht darin, die Reaktionsprodukte aus einem primären Katalysatorbett in und durch ein zweites Katalysatorbett zu leiten, während dem zweiten Bett Luft zugeführt und ein Teil des bereits erzeugten Wasserstoffes verbrannt wird. Auf diese Weise wird die Temperatur der Reaktionsprodukte erhöht, wenn sie durch das zweite Bett hindurchströmen, um zusätzlichen Wasserstoff zu erhalten. Dieses Verfahren ist aus der US-PS 2 700 598 bekannt. Diese Lösung hat zwar einige Vorteile, es ist jedoch klar, daß der gesamte verfügbare Wasserstoff in dem Prozeßbrennstoff nicht ein Produkt des Reaktors werden kann, da ein Teil von ihm innerhalb des Reaktors verbrannt wird.

Ein weiteres Verfahren ist in der US-PS 2 813 779 beschrieben. Der aus dieser US-Patentschrift bekannte primäre Dampfreformierreaktor ist innerhalb eines Ofens angeordnet. Reaktionsprodukte aus dem Primärreaktor werden in dem Ofen auf eine hohe Temperatur vorgewärmt und dann durch ein zweites Katalysatorbett hindurchgeleitet, das sich außerhalb des Ofens befindet, wobei eine zusätzliche Umwandlung von Kohlenwasserstoff in einer adiabatischen Reaktion unter Ausnutzung der Eigenwärme in den vorgewärmten primären Reaktionsprodukten erfolgt. Gemäß dieser US-Patentschrift werden Kohlenwasserstoffe, die nicht reagiert haben, auf Konzentrationen von weniger als 0,3 Mol-% verringert, 1) ohne daß die Anzahl der Reaktorröhren in dem Ofen erhöht wird, 2) ohne daß die Temperatur in dem Ofen erhöht wird und 3) ohne daß die Menge des verwendeten Katalysators erhöht wird. Damit das zutrifft, muß die Pri-

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märreaktionsanlage relativ unwirksam sein. Die Lehren dieser Patentschrift können nicht bei sehr wirksamen Primärreaktionsanlagen ausgenutzt werden, da die Entnahme von Wärme aus dem Ofen zum Vorwärmen der Reaktionsprodukte sich nicht mit dem Maximieren des Wirkungsgrades innerhalb der Primärreaktionsanlage vereinbaren ließe. Der Grund dafür, daß in dieser US-Patentschrift behauptet wird, es könne Wärmeenergie aus dem Ofen entnommen werden, um die primären Reaktionsprodukte vorzuwärmen, ohne daß sich eine negative Auswirkung auf den primären Reaktionsprozeß ergibt, ist vielleicht darin zu sehen, daß der Ofen eine große Menge an Wärme enthält, die sonst Verlustwärme sein würde (d.h. Wärme, die für die Ausnutzung in den Primärreaktionsröhren verfügbar ist, die darin aber aufgrund der Unwirksamkeit des Systems nicht ausgenutzt werden kann). Weiter kann die aus dieser US-Patentschrift bekannte Anlage nicht kompakt sein, da sich das zweite Katalysatorbett außerhalb des Ofens befindet.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen sowie einer Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Erfindung schafft eine äußerst wirksame und kompakte Dampfreformierreaktoranlage, die in der Lage ist, bis zu 100 % der schweren und mittleren Kohlenwasserstoffe im wesentlichen in Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umzuwandeln.

Gemäß der Erfindung ist ein röhrenförmiger katalytischer Reaktor innerhalb eines Ofens angeordnet, welcher in einen Teil mit erhöhter Wärmeübertragung und in einen Brennraum unterteilt ist. Der Reaktor ist teilweise innerhalb des Brennraums und teilweise innerhalb des Wärmeübertragungsteils angeordnet und enthält ein ringförmiges erstes Reaktionskatalysatozbett und ein zweites Reaktionskatalysatorbett, das koaxial zu dem ersten Bett und innerhalb desselben angeordnet ist. Die Produktgase aus dem ersten Bett werden

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ohne Wärmezufuhr durch das zweite Bett im wesentlichen adiabatisch hindurchgeleitet, was zu einer wesentlichen Verringerung der Menge an Kohlenwasserstoffen führt, die keine Reaktion eingegangen sind, schwerer als Methan sind und in den das erste Bett verlassenden Produktgasen vorhanden sind.

Jegliches Methan in den Produktgasen, die das erste Bett verlassen, kann zwar im thermodynamisehen Gleichgewicht oder nahe demselben sein, Kohlenwasserstoffe jedoch, die schwerer als Methan sind, sind nicht im thermodynamisehen Gleichgewicht und können in dem zweiten Katalysatorbett zur Reaktion gebracht werden, indem nur die Eigenwärme innerhalb der Produktgase ausgenutzt wird. Wenn beispielsweise 90 % der Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan sind, in dem ersten Bett zur Reaktion gebracht werden, werden die restlichen Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan sind, in dem zweiten Bett zur Reaktion gebracht und vollständig in Wasserstoff, Methan, CO und CO, umgewandelt, mit einem Temperaturabfall von 112 C in dem zweiten Bett. Die 10 % an Kohlenwasserstoffen, welche keine Reaktion eingegangen sind, können also mit einem Temperaturabfall

Δ T von 112 °c in dem zweiten Bett eliminiert werden. Nur etwa 11 ⁰C Temperaturabfall sind für jedes Prozent an Kohlenwasserstoffen erforderlich, die keine Reaktion eingegangen und schwerer als Methan sind. Das Volumen des zweiten Katalysatorbettes wird so gewählt, daß der erforderliche Temperaturabfall erzielt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform strömen die Ofengase innerhalb des Ofenteils mit erhöhter Wärmeübertragung im Gegenstrom zu dem Strom in dem ersten Katalysatorbett durch einen relativ schmalen Ring, der das erste Bett umgibt. Der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad wird in diesem Bereich stark verbessert. Die Reaktionsprodukte aus dem ersten Bett strömen durch das zweite Katalysatorbett hindurch und von diesem aus im Gegenstrom zu dem Strom durch das erste Bett

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innerhalb einer ringförmigen Regenerationskammer, die koaxial zu und einwärts neben der Primärreaktionskammer angeordnet ist. Die Regenerationskammer sorgt für eine zusätzliche Wärmeübertragung von den Reaktionsprodukten zurück in das erste Bett, wodurch der thermische Reaktorwirkungsgrad erhöht wird.

In einem äußerst wirksamen und kompakten Dampfreformierreaktor wird so viel verfügbare Wärmeenergie aus dem Ofen wie möglich in die Reaktionskammer geleitet, um die Reaktion zu fördern. Je wirksamer das System ist, umso niedriger ist die mittlere Temperatur innerhalb des Ofens und der Reaktionskammer im Vergleich zu einem weniger wirksamen System, das den gleichen ProzeBbrennstoffdurchsatz hat. Leider kann die niedrigere Temperatur des wirksamen Systems zu einem höheren Wert an Kohlenwasserstoffen führen, die keine Reaktion eingegangen sind und schwerer als Nethan sind. Diese Kohlenwasserstoffe, die keine Reaktion eingegangen sind, können sehr unerwünscht sein, was von der Verwendung abhängig ist, für die das Endprodukt bestimmt ist. Durch die Erfindung werden diese schwereren Kohlenwasserstoffe mit einer kompakten Anlage und ohne die Verwendung irgendeiner anderen Energiequelle als der Energie, die die Produktgase bereits selbst besitzen, wesentlich verringert und es besteht die Möglichkeit, sie vollständig zu eliminieren.

Der hier benutzte Parameter, der als Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad ε bezeichnet wird, ist gleich der Änderung der Enthalpie des Heizstroms dividiert durch die theoretische maximale Änderung der Enthalpie. Mit anderen Worten, wenn der Heizstrom eine Enthalpie E₁ bei seiner Eintrittstemperatur T₁ und eine Enthalpie E- bei seiner Austrittstemperatur T₂ hat und wenn der beheizte Strom eine Temperatur T₃ bei seinem Eintritt hat, so ist der Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad zwischen den beiden Strumen durch folgende Gleichung gegeben:

. ^E1 * ^B2

-E₃

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wobei E₃ die Enthalpie des Heizstroms ist, berechnet bei der Temperatur T-.

Der thermische Reaktorwirkungsgrad η ist hier folgendermaßen definiert:

(N„ ) (LHV„ ) HH

(F_r) (LHV_r) + F_f (LHV_f)

wobei N„ die Gesamtmenge an erzeugtem Wasserstoff, LHV„ H₂ H₂

der untere Heizwert von Wasserstoff, F die Menge an dem Reaktor zugeführtem Prozeßbrennstoff, F- die Menge an dem Ofen zugeführtem Brennstoff ist und wobei LHV und LHV _f die unteren Heizwerte des Prozeßbrennstoffes bzw. des Ofenbrennstoffes sind. Vorstehend ist angenommen worden, daß Wasserstoff das gewünschte Reaktionsprodukt ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilvertikalschnittansicht einer kata-

lytischen Reaktoranlage nach der Erfindung, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Anlage von Fig.

im wesentlichen auf der Linie 2-2 von Fig.

Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die katalytische Reaktoranlage 10 von Fig. 1 und 2 betrachtet. In dieser Ausführungsform dient die Anlage zum Dampfreformieren eines reformierbaren Kohlenwasserstoffbrennstoffes in Gegenwart eines geeigneten Katalysators, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Anlage 10 enthält einen Ofen 12 mit Brennerdüsen 14, mit einem Brennerbrennstoffverteiler 16 und mit einem Luftverteiler 18. Innerhalb des Ofens 12 sind mehrere

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röhrenförmige Reaktoren 20 angeordnet.

Jeder Reaktor 20 hat eine äußere zylindrische Hand 22 und eine innere zylindrische Wand oder ein Hittelrohr 24, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer 26 begrenzen. Diese Hände sind aus einem wärmeleitendem Werkstoff, wie beispielsweise einem Nickel-Chrom-Stahl hergestellt. Die Reaktionskammer 26 ist mit Dampfreformierkatalysatorpellets 28 gefüllt, die auf einem Gitter 30 ruhen, das an dem Einlaß 32 der Reaktionskammer angeordnet ist. Jeder geeignete Dampfreformierkatalysator, wie beispielsweise Nickel, kann benutzt werden, um die Reaktionskammer von ihrem Einlaß 32 bis zu ihrem Auslaß 36 zu füllen. Der Zylinder, der durch die Außenwand 22 begrenzt ist, ist an seinem oberen Ende durch eine Endkappe 40 verschlossen. Das Mittelrohr 24 hat ein oberes Einlaßende 42 und ein unteres Auslaßende 44. Das Einlaßende 42 endigt unterhalb der Endkappe 40, so daß das Mittelrohr in Gasverbindung mit dem Auslaß 36 der Reaktionskammer 26 ist.

Innerhalb des Mittelrohres 24 ist ein zylindrischer Stopfen angeordnet, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Mittelrohres, wodurch zwischen ihnen eine ringförmige Regenerationskammer 48 begrenzt wird. Die Regenerationskammer hat einen Auslaß 50 neben dem Einlaß 32 der Reaktionskammer und einen Einlaß 52. Derjenige Teil des Mittelrohres, der sich oberhalb des Stopfens 46 befindet, ist mit dem gleichen Katalysator wie die Reaktionskammer 26 gefüllt (obgleich jeder andere Katalysator benutzt werden kann). Der Stopfen 46 kann zwar eine massive Stange sein, bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es jedoch ein Rohr, das durch eine Endkappe 54 an einem Ende verschlossen ist, so daß die Reaktionskammer 26 verlassende Reaktionsprodukte in das Mittelrohr, durch das zweite Katalysatorbett und um den Stopfen 46 herum durch die Regenerationskammer 48 strOmen nüssen. Das zweite Katalysatorbett

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ruht auf der Endkappe 54 und auf einer ringförmigen perforierten Platte oder einem Gitter 56, das an dem Stopfen befestigt ist. Ausbauchungen 58 zentrieren den Stopfen 46 innerhalb des Mittelrohres 24. Die Regenerationskanuner 48 hat die Aufgabe, Wärme aus den Reaktionsprodukten/ die den Auslaß 36 verlassen (und die noch darin bleibt, nachdem die Reaktionsprodukte das zweite Katalysatorbett verlassen haben), in das erste Katalysatorbett zurückzuleiten.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung sorgt für eine Vorwärmung des Prozeßbrennstoffes durch die Regenerationskanuner, bevor der Prozeßbrennstoff in das erste Katalysatorbett eintritt. Es sei aber beachtet, daß das zweite Katalysatorbett und die Regenerationskanuner von den heißen Ofengasen im wesentlichen isoliert sind. Für einen maximalen thermischen Reaktorgesamtwirkungsgrad ist es wichtig, die Wärmeenergie des Ofengases daran zu hindern, die Reaktionsprodukte innerhalb der Reaktionskammer oder des zweiten Katalysatorbettes zu erhitzen. Es ist außerdem wichtig, das Verbrennen von zusätzlichem Brennstoff oder Wasserstoff innerhalb des zweiten Katalysatorbettes oder innerhalb der Regenerationskanuner zu verhindern. Nur Eigenwärme, die bereits in den Reaktionsprodukten an dem Auslaß 36 vorhanden ist, wird entweder an das zweite Katalysatorbett abgegeben oder mittels der Regenerationskanuner zu dem ersten Katalysatorbett zurückgeleitet.

Jeder Reaktor 20 kann als ein Reaktor aufgefaßt werden, der einen oberen Teil 60 und einen unteren Teil 62 aufweist. Der obere Teil 60 ist in einem Raum angeordnet, der im folgenden als Brennraum 64 bezeichnet wird. Der Brennraum 64 ist dasjenige Volumen des Ofens 12, innerhalb welchem die tatsächliche Verbrennung des Brennstoffes und der Luft, die in den Ofen eingeleitet werden, stattfindet. Dieser Raum ist durch sehr hohe Temperaturen, beträchtliche Strahlungsbeheizung sowie Konvektionebeheizung der Reaktoren 20 und durch

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axiales (d.h. in der Richtung der Achse der Reaktoren 20) sowie radiales Vermischen der Gase darin gekennzeichnet.

Der untere Teil 62 jedes Reaktors ist von einer zylindrischen Wand oder einem Kanal 66 umgeben, der mit Abstand außerhalb von der Wand 22 angeordnet ist und mit dieser einen schmalen ringförmigen Brennergaskanal 67 begrenzt, welcher einen Einlaß 68 und einen Auslaß 69 hat. Der Brennergaskanal 67 ist mit einem Wärmeübertragungspackmaterial gefüllt, beispielsweise mit Kugeln 70 aus Aluminiumoxid, die auf einem Gitter 71 ruhen. Der Zwischenraum 72 zwischen benachbarten zylindrischen Wänden oder Kanälen 66 ist mit einem nichtwärmeleitendem Material, wie beispielsweise einer Keramikfaserisolation, versehen, das auf einer Platte 74 ruht, die sich über den Ofen erstreckt und in welcher Löcher gebildet sind, durch die die Reaktoren 20 hindurchgehen. Die Platte 74 und das Material innerhalb des Zwischenraums 72 hindern die Ofengase daran, um die Außenseite der zylindrischen Wände oder Kanäle 66 zu strömen.

Derjenige Teil des Ofens, der die unteren Teile 62 der Reaktoren umgibt, wird im folgenden als Ofenteil mit erhöhter Wärmeübertragung bezeichnet. In dieser Ausführungsform erhöht der gefüllte ringförmige Kanal 67 den Warroeübertragungswirksamkeitsgrad zwischen den Heizströmen und den beheizten Strömen.

Zusätzlich zu der Platte 74 erstrecken sich Platten 76, und 80 ebenfalls über den Ofen und begrenzen zwischen sich Verteiler. Die Platte 80 ruht auf der Bodenwand 82 des Ofens. Die Platten 78 und 80 begrenzen zwischen sich einen Reaktionsproduktverteiler 84. Die Platten 76 und 78 begrenzen zwischen sich einen Prozeßbrennstoffeinlaßverteiler 86. Die Platten 74 und 76 begrenzen zwischen sich einen Ofengasauslaßverteiler 88. Die Stopfen 46 und die MitteXrohre 24 stoßen an die Bodenplatte 80 an. Die Aus-

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senwände 22 der Reaktoren stoßen an die Platte 78 an. Die zylindrischen Wände oder Kanäle 66 stoßen an die Platte 74 an.

Es können in den Figuren nicht dargestellte Vorrichtungen vorgesehen sein, die eine Fluidisierung des ersten Katalysatorbettes infolge des aufwärtsströmenden Prozeßgases verhindern.

Im Betrieb tritt ein Gemisch aus Dampf und reformierbarem Kohlenwasserstoffbrennstoff aus dem Verteiler 86 in den Einlaß 32 der Reaktionskammer 26 über Löcher 90 in der Wand 22 ein. Der Verteiler 86 wird über einen Kanal 92 versorgt. Sofort beginnt die Erhitzung des Gemisches durch die im Gegenstrom zu ihm durch den Kanal 67 strömenden Ofengase, und das Gemisch beginnt in Gegenwart der Katalysatorteilchen 28 zu reagieren. Wenn sich der Brennstoff, Dampf und Reaktionsprodukte innerhalb der Reaktionskammer 26 aufwärts bewegen, reagieren sie weiterhin und nehmen zusätzliche Wärme auf. An dem Auslaß 36 erreicht die Temperatur der Reaktionsprodukte ein Maximum und kann einen Wert zwischen 704 ⁰C und 871 C haben. Sie können bis zu 15 % der ursprünglichen Menge an Kohlenwasserstoffen, die schwerer als Methan sind, enthalten. Die heißen Reaktionsprodukte treten daraufhin in das zweite Katalysatorbett ein. Die Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan sind und keine Reaktion eingegangen sind, werden in Wasserstoff, Methan, CO und CO₂ in einer im wesentlichen adiabatischen Reaktion umgewandelt, wobei nur die Wärme in dem das erste Katalysatorbett verlassenden Produktgas benutzt wird. Wenn praktisch alle diese schwereren Kohlenwasserstoffe beseitigt werden müssen, wird ein ausreichendes Katalysatorvolumen vorgesehen, so daß sich etwa 11 ⁰C Temperaturabfall in dem Bett für jeweils 1 % an in das zweite Bett eintretenden schwereren Kohlenwasserstoffen, die keine Reaktion eingegangen sind, ergeben. Es können weniger sein, wenn einige dieser schwereren Kohlenwasserstoffe in dem Endprodukt zulässig sind. Vorzugsweise wird in dem zweiten Bett das kleinste Volumen an benötigtem Ka-

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talysator benutzt, um die gewünschte Verringerung an schwereren Kohlenwasserstoffen zu erzielen, damit die Länge der Regenerationskamraer maximiert werden kann. Das erforderliche Volumen läßt sich leicht berechnen. Die Reaktionsprodukte aus dem zweiten Bett treten daraufhin in den Einlaß 52 der Regenerationskammer 48 ein. Wenn sich die Reaktionsprodukte über die Länge der ringförmigen Regenerationskammer 48 bewegen, wird von ihnen Wärme zurück in die Reaktionskammer 26 übertragen. Sie treten daraufhin in den Reaktionsproduktverteiler 84 über die Löcher 94 in dem Mittelrohr 24 ein und werden aus dem Reaktor über die Leitung 96 zur weiteren Verarbeitung oder zur Lagerung oder zum Verbrauch abgeführt.

Brennstoff für den Ofen tritt in den Verteiler 16 über eine Leitung 98 ein und gelangt daraufhin über die Düsen 14 in den Brennraum 64. Luft tritt in den Verteiler 18 über eine Leitung 100 ein und gelangt über ringförmige Durchlässe 102, die jede Düse 14 umgeben, in den Brennraum 64. Das Verbrennen des Brennstoffes und der Luft erfolgt innerhalb des Brennraums 64. Die heißen Gase aus dem Brennraum bewegen sich durch die Kanäle 67 in den Verteiler 88 und werden über eine Leitung 103abgelassen. Innerhalb des Brennraums sind die Temperaturen im allgemeinen ausreichend hoch, so daß hohe Heizleistungen (d.h. Geschwindigkeiten, mit welchen Wärme von den heißen Gasen in dem Ofen in den Reaktionsstrom pro Einheit des Flächeninhalts der Wandoberflächen, die die beiden Ströme voneinander trennen, übertragen wird) im Bereich der oberen Teile 60 der Reaktionskammern trotz des relativ niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten in diesem Bereich erzielt werden. Wenn die Temperatur der Ofengase absinkt, während sich die Gase von den Brennerdüsen wegbewegen, würde die Heizleistung normalerweise unzulässig niedrig werden. Dem wird jedoch gemäß der Erfindung durch die Verwendung der ringförmigen Brennergaskanäle 67 über den unteren Teilen 62 der Reaktoren

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entgegengewirkt. Diese Kanäle erhöhen, wenn sie richtig dimensioniert sind, den örtlichen Wärmeübertragungskoeffizienten und daher die Wärmeübertragungswirksamkeitswerte. Das führt zu hohen Heizleistungen sowohl im Bereich der oberen Teile 60 als auch im Bereich der unteren Teile 62.

Es ist klar, daß die Verteileranordnung und die Brennerkonstruktion, die in den Zeichnungen dargestellt sind, lediglich als Beispiel dienen und für die Erfindung oder für einen Teil derselben unkritisch sind, und daß die Erfindung sowohl bei einem einzigen Reaktor als auch bei vielen Reaktoren innerhalb eines Ofens anwendbar ist.

Beispiel;

In einem Test, bei welchem eine einzelne, innerhalb eines Ofens angeordnete Reaktorröhre mit einer ähnlichen Konfiguration wie eine der Reaktorröhren in Fig. 1 und 2 verwendet wurde, haLte die ringförmige Reaktionskammer 22 einen Außendurchmesser von 96,5 mm, einen Innendurchmesser von 4 5,7 mm und eine Länge von 406 mm. Die radiale Spaltbreite der Regenerationskammer 48 betrug 6,4 mm. Das zweite Katalysatorbett war ein Zylinder mit einer Länge von etwa 305 mm und mit einem Durchmesser von etwa 41 mm. Der gleiche Dampfreformierkatalysator wurde in beiden Betten benutzt und bestand aus zylindrischen Pellets. Der Prozeßbrennstoff war Heizöl, das so weit entschwefelt war, daß es nur 100 ppm Schwefel enthielt. Dieser Brennstoff trat in das primäre Katalysatorbett als ein Dampf ein, der mit etwa 5,0 Gewichtsteilen Wasserdampf pro 0,45 kg Brennstoff vermischt war. Seine Temperatur an dem Auslaß 36 des ersten Katalysatorbettes betrug etwa 843 ⁰C. Der Prozeßbrennstoff durchsatz betrug etwa 1,13 kg/h.

In diesem Beispiel wurden 91 % der Kohlenwasserstoffe, die

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schwerer als Methan sind, In dem Prozeßbrennstoff In dem ersten Katalysatorbett zur Reaktion gebracht. Dieses Produktgas wurde durch das zweite Katalysatorbett hindurchgeleitet und verließ es mit einer Temperatur von etwa 760 ⁰C. An dieser Stelle waren 98 % der ursprünglichen Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan sind, zur Reaktion gebracht worden. An dem Einlaß des zweiten Katalysatorbettes betrug die Äthylenkonzentration 15000 ppm, während beim Verlassen des zweiten Katalysatorbettes die Äthylenkonzentration 300 ppm betrug. Der kleine ReaktorauBendurchmesser und die kleine Diametralabmessung des zweiten Katalysatorbettes hinderten daran, das zweite Katalysatorbett so ausreichend groß zu machen, daß sämtliche Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan sind, eliminiert werden können.

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Claims

Patentansprüche :

iy

Verfahren zum Dampfreformieren eines Kohlenwasserstoffeinsatzgutes, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Einleiten eines dampfförmigen Gemisches aus einem Kohlenwasserstoffeinsatzgut und Wasserdampf in ein erstes Dampfreformierkatalysatorbett, das innerhalb einer in einem Ofen angeordneten ringförmigen Reaktionskammer angeordnet ist, und Hindurchleiten durch dieses erste Dampfreformierkatalysatorbett;

Verbrennen eines Brennstoffes und eines Oxydationsmittels innerhalb des Ofens, um dem ersten Katalysatorbett Wärme zuzuführen, und Hinwegströmenlassen der heißen Ofengase über die Außenfläche der Reaktionskammer im Gegenstrom zu dem Strom des Einsatzgut- und Dampfgemisches durch das erste Katalysatorbett, wobei die Reaktionsprodukte, die das erste Katalysatorbett verlassen, Kohlenwasserstoffe enthalten, die schwerer als Methan sind und keine Reaktion eingegangen sind;

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Weiterleiten der Reaktionsprodukte ohne weitere Erwärmung aus dem ersten Katalysatorbett durch ein zweites Dampfreformierkatalysatorbett, und zwar im wesentlichen adiabatisch, wobei die in den das erste Katalysatorbett verlassenden Reaktionsprodukten enthaltenen Kohlenwasserstoffe, die schwerer als Methan sind und keine Reaktion eingegangen sind, wesentlich verringert sind, indem hauptsächlich nur die Eigenwärme benutzt wird, die in den das erste Katalysatorbett verlassenden Reaktionsprodukten enthalten ist; und

Weiterleiten der Reaktionsprodukte aus dem zweiten Bett durch eine ringförmige Regenerationskammer, die koaxial zu dem ersten Bett einwärts desselben und neben demselben angeordnet ist, wobei der Strom durch die Regenerationskammer im Gegenstrom zu dem durch das erste Katalysatorbett hindurchgehenden Strom geleitet wird, um Wärme aus den Reaktionsprodukten zurück in das erste Katalysatorbett zu übertragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Hinwegströmenlassens der heißen Ofengase über die Außenfläche der Reaktionskammer das Hindurchströmenlassen der Gase durch einen schmalen ringförmigen Kanal, der die Reaktionskammer umgibt, beinhaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der durch das zweite Katalysatorbett hindurchgehenden Gase für jeweils 1 % an in den Reaktionsprodukten des ersten Bettes enthaltenen Kohlenwasserstoffen, die schwerer als Methan sind und keine Reaktion eingegangen sind, um etwa 11 C verringert wird, wodurch die Kohlenwasserstoffe praktisch eliminiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Einsatzgut und Wasserdampf aufwärts durch das erste Katalysatorbett hindurchgeleitet wird.

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5. Katalytische Dampfreformierreaktoranlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet :

durch einen Ofen, der Wärme für eine endotherme Dampfreformierreaktion liefert und einen Teil mit erhöhter Wärmeübertragung sowie eine einen Brennraum begrenzende Wandanordnung hat und außerdem dem Brennraum zugeordnete Vorrichtungen zum Einleiten von Brennstoff und eines Oxydationsmittels in den Brennraum aufweist;

durch mehrere röhrenförmige Reaktoren, die innerhalb des Ofens angeordnet sind und von denen jeder einen ersten Teil hat, der innerhalb des Brennraums angeordnet ist, und einen zweiten Teil,der eine Verlängerung des ersten Teils ist und sich innerhalb des Ofenteils mit erhöhter Wärmeübertragung befindet, wobei jeder Reaktor eine innere und eine äußere Wandanordnung hat, die zwischen sich eine ringförmige Reaktionskammer begrenzen, welche ein erstes Dampfreif ormierkatalysatorbett enthält, das ein Einlaßende und ein Auslaßende hat, wobei das Auslaßende innerhalb des Brennraums angeordnet ist und wobei die innere Wandanordnung ein Mittelrohr begrenzt, das koaxial zu der Reaktionskammer und einwärts neben derselben angeordnet ist; wobei das Mittelrohr einen Katalysatorteil und einen Regenerationsteil hat, wobei der Katalysatorteil ein zweites Dampfreformierkatalysatorbett enthält und eine Einlaßeinrichtung in Gasverbindung mit dem Auslaßende des ersten Katalysatorbettes sowie eine Auslaßeinrichtung aufweist, und wobei der Reaktor so aufgebaut und angeordnet ist, daß in dem zweiten Katalysatorbett die Reaktionsprodukte aus dem ersten Katalysatorbett adiabatisch zur Reaktion gebracht werden, wobei nur die Eigenwärme in den Reaktionsprodukten aus dem ersten Katalysatorbett benutzt wird/ wobei der Regenerationsteil eine ihm zugeordnete Wandanordnunq hat, die eine ringförmige Regenerationskammer koaxial zu und neben der Reaktionskamster und einwärts von derselben be-

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grenzt, welche ein Einlaßende in Verbindung mit der Auslaßvorrichtung des zweiten Katalysatorbettes und ein Auslaßende neben dem Einlaßende des ersten Katalysatorbettes hat und so ausgebildet ist, daß sie Reaktionsprodukte aus dem zweiten Katalysatorbett im Gegenstrom zu dem Strom durch das erste Katalysatorbett leitet, um Wärme aus den Reaktionsprodukten in das erste Katalysatorbett zurückzuleiten; und

wobei der Ofen Wärmeübertragungsvorrichtungen enthält, die in dem Ofenteil mit erhöhter Wärmeübertragung angeordnet sind, um den Wärmeübertragungswirksamkeitsgrad im Bereich der zweiten Teile der Reaktionskammern zu erhöhen, und wobei der Ofen so konstruiert und angeordnet ist, daß die Ofengase über die zweiten Teile der Reaktionskammern im Gegenstrom zu dem durch die ersten Katalysatorbetten hindurchgehenden Strömen strömen.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsvorrichtungen Wandanordnungen sind, die einen schmalen ringförmigen Brennergaskanal begrenzen, der den zweiten Teil jedes Reaktors umgibt, und daß der Ofen Vorrichtungen aufweist, die bewirken, daß sämtliche Ofengase durch die Brennergaskanäle hindurchgehen.
7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoren innerhalb des Ofens vertikal angeordnet sind und daß jeder Reaktor ein oberes Ende und ein unteres Ende hat, wobei das Einlaßende des ersten Katalysatorbettes sich an dem unteren Ende befindet.
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