DE2939816A1

DE2939816A1 - Verfahren zur durchfuehrung exothermer reaktionen mit volumenkontraktion

Info

Publication number: DE2939816A1
Application number: DE19792939816
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. Reiner 8000 München Lohmüller; Helmut Dipl.-Ing. 8022 Grünwald Schneider; Dipl.-Chem. Dr. Allan 8012 Ottobrunn Watson
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1979-10-01
Publication date: 1981-05-07

Description

Verfahren zur Durchführung exothermer
Reaktionen mit Volumenkontraktion Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer stark exothermen, katalytisch beschleunigten und unter Volumenkontraktion ablaufenden chemischen Reaktion unter Verwendung mehrerer hinterernandergeschalteter.
adiabat betriebener Reaktoren, wobei das Reaktionsprodukt unter einem erhöhten Druck abgegeben wird.
Ein Verfahren der genannten Art ist aus der DE-OS 27 26 2>4 bekannt. Dabei wird ein im wesentlichen aus Wasserstoff und Oxiden des Kohlenstoffs bestehendes Synthesegas unter erhöhtem Druck durch mehrere hintereinander geschaltete Methanisierungsreaktoren geführt. Die Aufteilung in mehrere Reaktoren verfolgt dabei den Zweck, die bei adiabater ReaktionsfUhrung auftretende Temperaturerhöhung durch KUhlung zwischen Je zwei Reaktoren wieder rückgängig zu machen, um auf diese Weise die Reaktion unter Kontrolle zu halten.
Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den Nachte l auf, daß zur Vermeidung unzulässig hoher Temperaturen, die insbesondere in den ersten Reaktoren auftreten kennen, die Konzentration der Reaktionsteilnehmer im Einsatzgas relativ niedrig sein muß. Um dies zu erreichen, wird üblicherweise ein Teil der abreagierten Gase zurückgeführt und als an der Reaktion unbeteiligtes inertes Dämpfungsmittel verwendet.
Da die zurückgeführte Gasmenge meist ein mehrfaches der Menge des Einsatzgases ausmacht, sind für die Aufrechterhaltung dieses Kreislaufs jedoch aufwendige Maßnahmen erforderlich.
Der Erfindung list die Aufgabe zugrunde, eine energetisch günstigere Verfahrensführung für ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzufinden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Druckerhöhung mehrstufig erfolgt, wobei die einzelnen Stufen der Druckerhöhung jeweils zwischen zwei hintereinandergeschalteten Reaktoren durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird damit ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in mehreren Stufen eine Teilverdichtung von bereits teilweise umgesetztem Einsatzgas erfolgt. Durch die von Stufe zu Stufe fortschreitende Volumenkontraktion ist in nachfolgenden Druckstufen eine immer geringer werdende Gasmenge zu verdichten, so daß der dafür erforderliche Energieaufwand gegenüber einer Verdichtung vor dem ersten Reaktor reduziert wird. Wesentlich ist beim erfindungsgemäßen Verfahren, daß nicht etwa das gesamte Reaktionsprodukt nach Durchlaufen des letzten Reaktors verdichtet wird. Dies brächte bezüglich der Verdichtung zwar die größte Einsparung, würde aber zu einer wesentlichen Vergrößerung der dann bei niedrigem Druck betriebenen Reaktoren führen und damit das Verfahren insgesamt unwirtschaftlich machen.
Die Druckerhöhung zwischen einzelnen Reaktoren wirkt sich auch günstig auf die reaktionskinetischen Bedingungen der Umsetzung aus. Dadurch wird nämlich der Verdünnungseffekt.
der bei gleichbleibendem Druck in nachfolgenden Reaktoren.
aufgrund der bereits abreagierten Komponenten auftritt, zumindest teilweise ausgeglichen, so daß eine Annäherung der Reaktionsbedingungen in den einzelnen Reaktoren möglich ist.
Ein wichtiges Merkmal für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage zur Durchführung einer stark exothermen Reaktion ist in der Verwertung der freigesetzten Reaktionswärme zu senen. oblicherweise wird diese Wärme zur Erzeugung von Hochdruckdampf auf möglichst hohem Temperaturniveau genutzt. Die Temperatur begrenzende Kriterien sind dabei in der Beanspruchbarkeit der Reaktorwerkstofre und der Katalysatoren (beispielsweise muß verhindert werden, daß eine Versinterung von Katalysatoren bei zu hoher Temperatur eintritt) zu sehen. Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich auch im Hinblick auf die Ausnutzung der Reaktionswärme als besonders günstig, da der erhöhte Verfahrensdruck in nachfolgenden Reaktoren das übliche Absinken der Austrittstemperatur infolge der Anwesenheit bereits abreagierten Gases zumindest teilweise ausgleicht, so daß sich Hochdruckdampf auf einem höheren Temperaturniveau gewinnen läßt. Um diesen Effekt besonders effektiv auszunützen, ist in einer oevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, zwischen jeweils zwei Reaktoren eine Stufe der Druckerhöhung vorzusehen.
Als günstig hat sich weiterhin erwiesen, das Verdichtungsverhältnis in jeder Stufe der Druckerhöhung gleich zu wählen, da durch diese Maßnahme erreicht wird, daß alle Verdichter über eine gemeinsame Welle angetrieben werden können.
Sollte in bestimmten Fällen das umzusetzende Rohgas bereits unter erhöhtem Druck vorliegen, kann es sich als günstig erweisen, dieses Gas vor Einleitung in den ersten Reaktor arbeitsleistend zu entspannen. Dies kann über eine Turbine erfolgen, wobei die gewonnene Energie für die RUckverdichtung des Gases zwischen den einzelnen Reaktoren verwendet werden kann. Zusätzliche Energie wird bei einem solchen Vorgehen nicht benötigt, womit bei der Umsetzung eine erhebliche Volumenkontraktion eintritt.
In Weiterbildung dieses Gedankens kann in die Turbine eine Dampfturbine integriert werden, die den bei der Abkühlung der Reaktionsprodukte gewonnenen Hochdruckdampf dort direkt über einen Generator in Strom umwandelt.
Zur Regelung der Reaktoren ist es möglich, über Bypassleitungen einen Teil der Reaktionsprodukte in einzelne Reaktoren zurückzuführen. Eine solche Regelung ist nicht nur im Stbrfall günstig, um ein Durchgehen eines Reaktors infolge einer Temperaturerhöhung zu vermeiden sondern sie erlaubt auch, im laufenden Betrieb eine wirksame Anpassung der Adiabattemperaturen an die zur Energieerzeugung günstigsten Temperaturen vorzunehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sä.ch bei alleii exothermen und unter Volumenkontraktion ablaufenden Reaktionen anwenden. Derartige Reaktionen slnd beispielsweise die Methan nisierung eines Wasserstoff und Kohlenoxiden enthaltenden Synthesegases, die Synthese von Methanol aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die Ammoniaksynthese sowie die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid im Rahmen der Schwefelsäure-Herstellung.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Methanisierung eines Wasserstoff und Oxide des Kohlenstoffs enthaltenden Sgnthesegases. Um die Reaktorwerkstoffe sowie die verwendeten Katalysatoren nicht übermäßig zu beanspruchen, soll dabei die Methanisierungstemperatur 6500C nicht überschreiten. Die Reaktion wird in fünf adiabat betriebenen Reaktoren 1,2,3,4 5 durchgeführt. Dazu wird über Leitung 6 frisches Synthesegas, das 70 Mol-% Wasserstoff und jeweils 10 Mol-% Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan enthält, unter einem Druck von 1,3 bar und bei einer Temperatur von 30000 in den ersten Reaktor 1 eingeleitet. Bei der hier erfolgenden teilweisen Umsetzung erhitzt sich das Gas auf 6210r und wird mit dieser Temperatur über Leitung 7 bei einem Druck von 1,2 bar abgezogen. Nach der ersten Reaktionsstufe enthält das Gas 61,5 Mol- Wasserstoff, 12,3 Mol- Kohlenmonoxid, 6,3 Mol-% Kohlendioxid und 19,9 Mol- Methan. Es wird in einem ersten Abhitzekessel 8 gegen sich überhitzenden HochdruckdamX abgekühlt und dann in einer ersten Verdichterstufe 9 auf einen Druck von 3 bar komprimiert. Das Gas tritt daraufhin über 0 Leitung 10 bei einer Temperatur von 300 0 in den zweiten Reaktor 2 eti, in dem eine weitere Umsetzung erfolgt. Das über Leitung 11 bei einer Temperatur von 61500 abgezogene Gas weist einen Druck von 2,9 bar auf und enthält 53,9 Mol-% Wasserstoff, 7,7 Mol-% Kohlenmonoxid, 7,7 Mol-% Kohlendioxid und 30.7 Mol-% Methan. Es wird wiederum in einem Abhitzekessel 12 abgekühlt und nach Verdichtung auf 7,1 bar in einer zweiten Verdichtersfe 13 dem dritten Reaktor 3 bei einer Temperatur von 30000 zugeführt. Nach der dritten Teilumsetzung fällt in Leitung 14 ein auf 5890C erhitztes Gas unter einem Druck von 7 bar an, das 42,6 Mol-% Wasserstoff, 3,3 Mol-% Kohlenmonoxid, 8,0 Mol-% Kohlendioxid und 46,1 Mol-% Methan enthält. Nach erneuter Abkühlung im Abhitzekessel 15 wird es in der dritten Verdichterstufe 16 auf 16,9 bar komprimiert und dem vierten Reaktor 4 wiederum bei einer Temperatur von 30000 zugeführt. Das über Leitung 17 abgezogene, bereits größtenteils abreagierte Gasgemisch 0 fällt bei einer Temperatur von 529 0 unter einem Druck von 16,8 bar an und enthält 26,8 Mol-% Wasserstoff, 0,7 Mol-% Kohlenmonoxid, 6,2 Mol-% Kohlendioxid und 66,3 Mol-% Methan.
Nach Kühlung im Abhitzekessel 18 wird es einer letzten Ver- dichterstufe 19 zugeführt und gelangt dann bei einem Druck von 40,4 bar und einer Temperatur von 3000C in den letzten Reaktor 5. Das über Leitung 20 abgezogene Produktgas enthält neben 84,7 Mol-% Methan noch 12,2 Mol- Wasserstoff, 0,1 Molß Kohlenmonoxid und 3,0 Mol- Kohlendioxid, Es steht unter einem Druck von 40,3 bar und wird bei einer Temperatur von 4450C einem letzten Abhitzekessel 21 zugeleitet und dann als Produktgas aus der Anlage abgezogen.
Die Verdichterstufen 9, 13, 16, 19, die ein Verdichtungsverhältnis von ungefähr 2,4 aufweisen, werden von einer gemeinsamen Welle 22 angetrieben.
Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf ein entsprechendes Verfahren, bei dem jedoch 7 hinteresnander geschaltete Reaktoren sowie 6 Verdichterstufen vorgesehen sind, um ein Produktgas mit besonders hohem Methanolgehalt zu erhalten. Das Einsatzgas hat die gleiche Zusammensetzung wie im vorstehenden Beispiel und wird in jeden einzelnen Reaktor bei einer 0 Temperatur von 300ob eingeführt. Temperatur, Druck und Zusammensetzung des aus den einzelnen Reaktoren austretenden Gases sind in der nachfolgenden Tabelle enthalten.
Tabelle Druck (bar) 1,2 2,2 4,0 7,2 13,0 23,4 42,2 Temperatur(°C)621 615 573 514 443 385 346 H2 Mol-« 62 54 45 31 18 9 5 CO Mol-% 12 8 4 1 0,1 0 0 C02 Mol- 6 8 8 7 4 2 1 CH4 Mol- 20 30 43 61 77,9 89 94

Claims

Pa t entansprüche 1. Verfahren zur Durchführung einer stark exothermen, katalytisch beschleunigten und unter Volumenkontaktion ablaufenden chemischen Reaktion unter Verwendung mehrerer hintereinandergeschalteter, adiabat betriebener Reaktoren, wobei das Reaktionsprodukt unter einem erhöhten Druck abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhung mehrstufig erfolgt, wobei die einzelnen Stufen der Druckerhöhung jeweils zwischen zwei hintereinandergeschalteten Reaktoren durchgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Reaktoren jeweils eine Stufe der Druckerhöhung vorgesehen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtungsverhältnis jeder Stufe der Druckerhöhung gleich ist.
4. Verfahren nach einem der AnsprUche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bereits unter erhöhtem Druck vorliegenden Rohgas eine arbeitsleistende Entspannung vor Eintritt in den ersten Reaktor durchgefUhrt wird 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der bei der arbeisleistenden Entspannung gewonnenen Energie für die Druckerhöhung verwendet wird.