DE3803081A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung einer mehrstufigen synthesegaserzeugung - Google Patents

Vorrichtung zur durchfuehrung einer mehrstufigen synthesegaserzeugung

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Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung einer mehrstufigen Synthesegaserzeugung mit einem Primärkatalysator, einem Oxidationsraum und einem Sekundärkatalysator.
Ein mehrstufiges Verfahren zur Erzeugung von H₂- und CO-haltigen Synthesegasen aus kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffen, bei dem (a) die Einsatzstoffe zunächst einer katalytischen Primärdampfreformierung, (b) anschließend einer partiellen Oxidation mit Hilfe eines sauerstoffhaltigen Zusatzstoffes und (c) anschließend einer weiteren endothermen katalytischen Dampfreformierung unterworfen werden und (d) wobei nachfolgend ein Wärmeaustausch zwischen dem die zweite Reformierung verlassenden und wenigstens teilweise dem den Primärkatalysator durchströmenden Gas durchgeführt wird, ist bekannt.
Reaktoren, die derartige Verfahrensweisen möglich machen zeigen z. B. US-PS 46 50 651 oder 35 49 335 oder die EP-A-02 42 199. Bei der US-PS 46 50 651 wird in den Reaktor von unten das kohlenwasserstoffhaltige Einsatzgas eingebracht, es durchströmt einen Primärreformer, wird dann über ein Zentralrohr in die Spitze eines Sekundärreformers in einen Reaktionsraum verbracht, reagiert dort z. B. mit eingebrachter Luft, durchströmt nach unten den Sekundärreformer und umströmt auf seinem weiteren Weg nach unten den Primärreformer, um dann den Reaktor zu verlassen. Die Temperaturbereiche sind dabei so gewählt, daß die Temperaturen nach Verlassen der zweiten Reformierung noch vergleichsweise hoch sind, die Temperaturen liegen im Bereich zwischen 900 - über 1100°C, dieser Wärmeinhalt wird dann beim Umströmen des Primärreformers wenigstens teilweise abgegeben. Diese hohen Temperaturen werden im wesentlichen deswegen eingehalten, weil sie für die Einstellung des Restmethangehaltes des Produktgases als bestimmt angesehen werden und um eine Rückbildung von Methan bei einer Kühlung der Spaltprodukte am Katalysator zu verhindern.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Lösung, mit der insbesondere in spezifisch kleinerem umbauten Raum energetisch optimale Werte erreichbar sind, wobei die Ausbeute der Vorrichtung den herkömmlichen Vorrichtungen in nichts nachsteht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Sekundärkatalysator ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist.
Es hat sich gezeigt, daß die Aufrechterhaltung der in der Literatur beschriebenen hohen Temperaturen in bzw. bis hinter den Sekundärkatalysator keinesfalls notwendig ist, vielmehr kann durch eine gezielte Kühlung des Katalysatorbettes die Reformierungsreaktionen, z. B.:
CH₄ + H₂O → 3 H₂ + CO
beeinflußt werden.
Mit der Erfindung werden eine Reihe von zusätzlichen Vorteilen erzielt, so kann das erforderliche Gesamtvolumen eines entsprechenden Reaktors verringert werden, durch niedrige Temperaturen können günstigere Werkstoffe eingesetzt werden und dgl. mehr.
In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß der Primärkatalysator in einer Mehrzahl von Katalysatorrohren untergebracht ist, die den Sekundärkatalysator als Wärmeaustauscherrohre wenigstens bereichsweise durchsetzen. Diese Gestaltung führt zu einer sehr kompakten Bauweise der Vorrichtung, da die mit Primärkatalysator gefüllten Rohre die Funktion des kühlenden Wärmeaustauschers übernehmen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeaustauscherfläche 1-20 m²/m³ Katalysatorvolumen, vorzugsweise 10 m²/m³ beträgt.
Bei stehender Bauweise und bei von unten nach oben durchströmten Primärkatalysatorrohren sieht die Erfindung vor, daß in den oberen Kopfbereichen der Rohre der Sekundärkatalysator auf einem Träger angeordnet ist.
Insbesondere zum Ausgleich für auftretende Dehnungen kann vorgesehen sein, daß unterhalb des Trägers für den Sekundärkatalysator ein Ausgleichsraum vorgesehen ist.
In zweckmäßiger Ausgestaltung sieht die Erfindung darüber hinaus vor, daß der Mittenabstand der Rohre des Primärkatalysators mindestens das 1,5fache des Rohrdurchmessers beträgt, wobei der hydraulische Durchmesser des Sekundärkatalysators höchstens dem 0,1fachen der Rohraußendurchmesser entspricht. Es hat sich gezeigt, daß diese Bemessungen und Zahlen zu sehr guten Ergebnissen führt.
Es kann auch vorgesehen sein, daß neben den Primärkatalysatorrohren zur Kühlung des Sekundärkatalysators, z. B. vom Oxidationsmittel für die Oxidationsstufe durchströmte zusätzliche Wärmeaustauscherrohre vorgesehen sind. Mit dieser Maßnahme können zwei Teilziele erreicht werden, nämlich zum einen kann damit die Kühlung des Sekundärkatalysators gesteuert werden, zum anderen kann die Vorwärmung des Oxidationsmittels oder die teilweise Vorwärmung des Oxidationsmittels damit entsprechend gesteuert werden.
Die Erfindung sieht auch vor, daß der Träger des Sekundärkatalysators an dessen Ausgang mit Schikanen für das in den darunterliegenden Wärmetauscherteil eintretende Produktgas ausgerüstet ist und/oder daß der Sekundärkatalysator von einer als Strömungsschikane wirkenden Füllkörperschüttung getragen wird.
Ist ein Rohrboden vorgesehen, kann es zweckmäßig sein, daß dieser Rohrboden als Zuführungseinrichtung für das Einsatzmedium in die Rohre ausgebildet ist.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung in Schnittdarstellung sowie in
Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung ebenfalls in Schnittdarstellung.
Die in der Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung besteht im dargestellten Beispiel aus einem Reaktorgefäß 2, in dem im unteren Bereich ein Rohrboden 3 vorgesehen ist, von dem aus, den Reaktor von unten nach oben im mittleren Teil durchsetzend, eine Mehrzahl von Katalysatorrohren 4 vorgesehen sind, die einen Primärkatalysator bilden.
Etwa im oberen Drittel dieser Katalysatorrohre 4 ist quer im Reaktor 2 eine Trennebene 5 vorgesehen, auf der ein mit 6 bezeichneter Sekundärkatalysator ruht, der von den Katalysatorrohren 4 des Primärkatalysators noch durchsetzt ist. Die Katalysatorrohre 4 münden in einem oberen Oxidationsraum 7, der mit weiteren Zuführleitungen 8 und 9 ausgerüstet ist, durch die Oxidationsmittel und ggf. sekundäres Reaktionsgas eingeführt werden können. Der Oxidationsraum 7 steht mit dem Sekundärkatalysator 6 in offener Verbindung.
Unterhalb der Trennebene 5 bilden die Katalysatorrohre 4 bis zum Rohrboden einen weiteren Wärmeaustauscherteil 10, der von dem den Sekundärkatalysator 6 verlassenden Synthesegas durchströmt wird, welches sich in einer unteren Sammelkammer 11 sammelt und die Vorrichtung 1 durch den Rohrstutzen 12 zur weiteren Behandlung verläßt.
In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist unterhalb der Trennebene 5 und vor dem Wärmeaustauscherteil 10 noch ein Ausgleichsraum 13 vorgesehen, um ggf. Wärmedehnungen abfangen zu können.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein mittleres Rohr 14 direkt von einer Zuführleitung 15 beaufschlagt, durch die z. B. Oxidationsmittel zwecks Vorwärmung durch den Reaktor von unten nach oben in den Oxidationsraum 7 a geleitet werden kann. Ansonsten ist die Konstruktion im wesentlichen mit der in Fig. 1 gleich. Die entsprechenden Elemente tragen daher auch die gleiche Bezugsziffern versehen mit dem Buchstaben "a". Eingezeichnet in Fig. 2 ist noch die Möglichkeit, am Austritt des Sekundärkatalysators 6 a Schikanen 16 zur Strömungsleitung vorzusehen und/oder den nachgeschalteten weiteren Wärmeaustauscher 10 b als Granulatschüttung bis unmittelbar zur Trennebene 5 a zu führen, wie dies in der rechten Figurenhälfte der Fig. 2 angedeutet ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Durchführung einer mehrstufigen Synthesegaserzeugung mit einem Primärkatalysator, einem Oxidationsraum und einem Sekundärkatalysator, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärkatalysator (6) ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärkatalysator in einer Mehrzahl von Katalysatorrohren (4) untergebracht ist, die den Sekundärkatalysator (6) als Wärmeaustauscherrohre wenigstens bereichsweise durchsetzen.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherfläche 1-20 m²/m³ Katalysatorvolumen, vorzugsweise 10 m²/m³ beträgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei stehender Bauweise und bei von unten nach oben durchströmten Primärkatalysatorrohren (4) in deren oberen Kopfbereich der Sekundärkatalysator (6) auf einem Träger (5) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Trägers (5) ein Ausgleichsraum (13) für auftretende Dehnungen vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabstand der Rohre (4) des Primärkatalysators mindestens das 1,5fache des Rohraußendurchmessers beträgt, wobei der hydraulische Durchmesser des Sekundärkatalysators (6) höchstens dem 0,1fachen der Rohraußendurchmesser entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Primärkatalysatorrohren (4) zur Kühlung des Sekundärkatalysators (6), z. B. vom Oxidationsmittel für die Oxidationsstufe durchströmte zusätzliche Wärmeaustauscherrohre (14) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5 a) des Sekundärkatalysators (6 a) an dessen Ausgang mit Schikanen (16) für das in den darunterliegenden Wärmetauscherteil eintretende Produktgas ausgerüstet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkatalysator (6 a) von einer als Strömungsschikane wirkenden Füllkörperschüttung (10 b) getragen wird.
10. Vorrichtung mit einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Rohrboden (3) als Zuführungseinrichtung für das Einsatzmedium in die Rohre (4, 14) ausgebildet ist.
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