DE3244252C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung eines Wasserstoff und Kohlenoxyde enthaltenden Produktgases aus einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Erdgas und Wasserdampf, ent­ haltenden Einsatzgas durch katalytische, endotherme Spaltung dieses Einsatzgases in katalysatorgefüllten Reaktionsrohren zu Spaltgas und einer teilweisen Verbrennung des die Reaktionsrohre verlas­ senden Spaltgases mit Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltendem Gas. Produktgas der genannten Art dient der Weiterverarbeitung zu Synthesegas, z.B. für die Erzeugung von Methanol oder Ammoniak.

Bei einer Vorrichtung zur katalytisch endothermen Spaltung des Einsatzgases ist es erforderlich, die für die Reaktion notwendige Wärmemenge zu erzeugen und über die Reaktionsrohre an das in diesen strömende Einsatzgas zu übertragen. Zu diesem Zweck werden in be­ kannter Weise die mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre in einer Vielzahl in dem sogenannten Primärreformerofen reihenweise senk­ recht angeordnet und über eine Vielzahl von gas- oder ölbefeuerten Brennern in den Ofenwandungen beheizt. Der Primärreformerofen wird heizgässeitig bei Atmosphärendruck betrieben und die Heizgase ver­ lassen den Ofen mit einer Temperatur von etwa 950°C und gelangen nach weiterem Wärmetausch mit anderen Prozeß- bzw. Hilfsstoffströ­ men bis auf eine Temperatur von 120 bis 160°C in den Rauchgaskamin.

Bei der nachfolgenden Teilverbrennung, d.h. bei weiterer Reduzie­ rung des CH4-Gehaltes und evtl. Einbringung von Stickstoff für ein Synthesegas zur Erzeugung von Ammoniak ist es erforderlich, Sauer­ stoff und/oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z.B. Luft dem Spaltgas zuzugeben. Dies geschieht im sogenannten Sekundärreformer. Der Sekundärreformer enthält Einrichtungen zur Zugabe des Sauer­ stoffs bzw. der Luft und eine Katalysatorschicht zur weiteren kata­ lytischen Umsetzung von unerwünschten Gaskomponenten im Spaltgas.

Zum Stand der Technik gehören Vorrichtungen zur Durchführung des Dampfreformierverfahrens, die eine indirekte Beheizung der Reak­ tionsrohre durch unter Druck erzeugte Verbrennungsgase vorsehen, wobei die noch heißen Verbrennungsgase nach Verlassen des Primär­ reformers in einer Gasturbine entspannt werden, so z.B. nach DE-C-17 92 229, DE-C-20 55 439. Bei den Verbrennungsgasen handelt es sich um Rauchgase, die nach Entspannung und Abkühlung in die At­ mosphäre abgegeben werden und damit mit gewissen Spurenverunreini­ gungen zur Umweltbelastung beitragen. Weiterhin läßt sich der ver­ wertbare untere Wärmeinhalt der Verbrennungsgase bzw. Rauchgase nur mit einem beträchtlichen Aufwand an kostenintensiver Wärmetauscher­ fläche wirtschaftlich ausnutzen.

Nach US-PS 25 79 843 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Was­ serstoff und Kohlenmonoxyd aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen unter Zusatz von gasförmigem Sauerstoff bekannt. Der Zusatz von gasförmigem Sauerstoff und seine Vorwärmung erfolgt durch ein Zentralrohr im teilweise mit Katalysator gefüllten Reformerrohr an dessen düsenförmig ausgestalteten Ende. Der Aufbau dieser Vorrich­ tung in der ausgewiesenen Art beinhaltet ein hohes Maß an betrieb­ lichem Risiko in bezug auf die Vorwärmung von Sauerstoff zwischen 500° und 1600°F (260 und 871°C) mittels eines brennbaren Gases und in Bezug auf die Reaktionszone örtlich in der Düse am Reformerrohr­ ende.

Nach US-A-25 29 630 ist ein Prozeß und eine Vorrichtung zur Her­ stellung von Synthesegas bekannt, wobei die Vorrichtung aus einem Reformer mit einer Mehrzahl von beheizbaren Reformerrohren besteht, aus dem über eine Leitung das Spaltgas in die Verbrennungskammer geführt wird. Aus der Verbrennungskammer wird das ca. 1200°C heiße Produktgas über eine Leitung zurück zum Reformer geführt, um hier die Reformerrohre zu beheizen. Reformer, separate Verbren­ nungskammer und verbindende Rohrleitungen beinhalten übermäßigen konstruktiven Aufwand und ein hohes Maß an betrieblichem Risiko.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Erzeugung von Produktgasen mit Wasserstoff- und Kohlenoxydegehalten zu vereinfachen und betriebssicher zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge­ stellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Fließbild mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Verfahren mit Erdgas als Einsatzgas zur Verwendung des erzeugten Produktgases in einer Methanolsynthese.

Fig. 2 Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Fig. 1.

In Fig. 1 tritt das Einsatzgas als Erdgas/Dampf-Gemisch bei 1 in den Reaktor 2 ein. In der oberen Kammer 3 wird es auf die mit Kata­ lysator gefüllten Reaktionsrohre 4 verteilt, durchströmt diese unter Wärmeaufnahme und Umwandlung zu einem vorkonditionierten Spaltgas. Das vorkonditionierte Spaltgas verläßt die Reaktionsrohre 4 am Rohrende 5, um sich in dem Freiraum 6 mit dem dort zugegebenen Oxidationsmittel, im Beispiel Sauerstoff über Leitung 7 und Erdgas und Kreislaufgas über die Leitungen 8 und 9 zu mischen und unter Temperaturerhöhung weiter zu reagieren. Die durch diese Reaktion erreichte Wärmetönung dient nun zur Beheizung der Reaktionsrohre 4. Das heiße Produktgas strömt wie angedeutet mit Pfeilen bei 10 im Freiraum mantelseitig im Gegenstrom zur Flußrich­ tung in den Reaktionsrohren 4 und verläßt den Reaktor 2 am Auslaß 11.

Danach gelangt es in die Kühlstrecke 12, in der insbesondere der Wasserdampf auskondensiert, der über die Leitung 13 abgezogen wird. Die bei der Abkühlung frei werdende Wärme kann auf verschiedene Weise genutzt werden, insbesondere zur Vorwärmung und Überhitzung des Einsatzgases Erdgas und Dampf, die über Leitung 14 der Kühlstrecke 12 zugeführt werden.

Zur Schlußkühlung dient ein beliebiges Kühlmittel über Leitung 15, z.B. Wasser, Luft oder auch Sauerstoff, falls eine Aufheizung von niedriger Temperatur erforderlich ist.

Das nahezu wasserfreie Synthesegas kann jetzt in einer Synthesean­ lage umgesetzt werden, im Beispiel zu Methanol. Da jedes Produktgas inerte Bestandteile enthält, muß aus dem Synthesekreislauf eine be­ stimmte Gasmenge mit inerten Anteilen über Leitung 17 abgeführt werden. Ein anderer Teil, als Kreislaufgas bezeichnet, wird über Leitung 9 zum Reaktor 2 zurückgeführt. Die Menge des zurückge­ führten Kreislaufgases ist abhängig von der Zusammensetzung des Einsatzgases im Reaktor 2 und den eingestellten Reaktionsbedin­ gungen in dem Freiraum 6. Zusätzlich ist vorgesehen, bei Bedarf das Kreislaufgas zumindest teilweise über die Leitung 18 dem Einsatzge­ misch zuzugeben. Das Rohmethanol verläßt die Synthese über Leitung 19.

Beim konventionellen Verfahren liegt der Wärmeverbrauch bei ca. 7,9 G cal/t Methanol. Nach dem erfinungsgemäßen Verfahren liegt der Wärmeverbrauch unter 7,1 G cal/t Methanol (1 cal = 4,184 J).

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens nach Fig. 1. Der Reaktor 2 enthält eine Vielzahl Reaktionsrohre 4, die mit Katalysator 20 gefüllt sind. Die Reaktionsrohre 4 sind mit der Trennwand 21 dicht verbunden. Das obere Ende 22 ist offen und steht mit der oberen Kammer 3 in Ver­ bindung, während das untere Ende 23 ebenfalls offen ist, und mit der unteren Kammer 24 in Verbindung steht. Damit ist das System Trennwand 21 und Reaktionsrohre 4 druckentlastet. Die Reaktionsrohre 4 sind in ihrem oberen Teil mit Schikanen 25 verse­ hen, die als Hüllrohre dargestellt sind, so daß die weiter er­ hitzten Spaltgase in Ringspalten geführt werden. Diese Heizgase, die identisch sind mit dem Produktgas, verlassen den Reaktor 2 schließlich der Unterseite der Trennwand ist wegen der hohen Tempe­ raturen innenseitig mit einer wärmedämmenden Isolierung oder Ausmauerung 27 versehen. Um den Wärmeübergang auf der Heizgasseite zu erhöhen, können im Bedarfsfall auch andere geeignete Schikanen 25, im Beispiel als Hüllrohre dargestellt, zwischen den Reaktionsrohren eingebaut werden. Diese Schikanen sollten mit den Reaktionsrohren und/oder der Trennwand so verbunden sein, daß sie mit den Reaktionsrohren ein- und ausgebaut werden können. In den Begrenzungswänden des Freiraumes 6 sind Zufuhreinrichtungen für Oxidationsmittel und Kohlenwasserstoff vorgesehen, und zwar sowohl einfache Düsenrohre 28 für die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen, als auch durchlässige poröse Keramikplatten 29 für die Zufuhr von Oxi­ dationsmitteln. Das Düsenrohr 28 wird gleichzeitig so ausgebildet, daß der Reaktor unter Zugabe von Oxidationsmitteln angewärmt und in Betrieb gesetzt werden kann.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas vereinfacht und sie in Bezug auf die Sauerstoff-Zufuhr betriebssicher gestaltet wurde.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Herstellung eines Wasserstoff und Kohlenoxide ent­ haltenden Produktgases aus einem im wesentlichen Kohlenwasser­ stoffe enthaltenden Einsatzgas mit in einem Reaktor eingebauten, mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohren, wobei der Reaktor durch eine Trennwand in zwei Teile geteilt ist, und zwar in eine obere, mit einem Einlaß für das Einsatzgas versehene Kammer (3), und in eine untere mit einem Austrittsstutzen für das Produktgas versehene Kammer, wobei die Reaktionsrohre in der Trennwand gasdicht befestigt sind und sowohl zur oberen Kammer hin als auch zur unteren Kammer zu einem Freiraum hin geöffnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Begrenzungswänden des Freiraums (6) Zufuhreinrichtungen für Reaktionsmittel vorgesehen sind, und zwar Düsenrohre (28) für die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen sowie durchlässige, poröse Keramik­ platten (29) für die Zufuhr eines Oxidationsmittels.