DE580876C - Process for the pretreatment of carbonization gases for decomposition by compression and deep freezing - Google Patents

Process for the pretreatment of carbonization gases for decomposition by compression and deep freezing

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Description

Verfahren zur Vorbehandlung von Schwelgasen fair die Zerlegung durch Kompression und Tiefkühlung Vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Zerlegung von Schwelgasen durch Kompression und Tiefkühlung und bezweckt, die Gewinnung wertvoller Produkte aus solchen Gasen zu erleichtern und die Menge derselben zu steigern. Zur Erreichung dieser Zwecke werden die Gase vor der Zerlegung einer Vorbehandlung unterworfen, welche ihren Gehalt an Kohlenwasserstoffen unverändert läßt, den Gehalt an Wasserstoff steigert, dabei denjenigen an schwer verflüssigba.rem Kohlenoxyd herabsetzt.Process for the pretreatment of carbonization gases fair through the decomposition Compression and Freezing The present invention relates to decomposition of carbonization gases through compression and deep freezing and aims to make the extraction more valuable To facilitate products made from such gases and to increase the quantity thereof. To the To achieve these purposes, the gases are subjected to a pretreatment before decomposition, which leaves its hydrocarbon content unchanged, the hydrogen content increases, while reducing that of carbon dioxide that is difficult to liquefy.

Die Vorbehandlung der Gase gemäß der Erfindung erfolgt in noch warmem, stark wasserdampfhaltigem Zustand und besteht in einem Überleiten über Katalysatoren bei etwa 5oo° in Verbindung mit anschließender Befreiung der Gase von Schwefelwasserstoff und von Kohlensäure nach erfolgter Abkühlung. Die Behandlung der Gase mit Katalysatoren bewirkt eine Umsetzung eines erheblichen Teiles des in den Gasen enthaltenen Kohlenoxyds nach der bekannten Reaktionsgleichung C O + H20 - CO, + H.., wobei der in den heißen Gasen enthaltene Wasserdampf nutzbar wird und durch die starke Herabsetzung des Kohlenoxydgehalts die Vorbedingung für die bequeme Durchführung der Zerlegung durch Kompression und Tiefkühlung geschaffen wird, sobald in bekannter Weise der Schwefelwasserstoff und die Kohlensäure ausgeschieden sind. Der Kohlenoxydgehalt kann durch die genannte Behandlung bis auf z bis q. °1o herabgesetzt werden. Ein solcher Kohlenoxydgehalt ist niedrig genug, um eine Abtrennung von dem am schwersten zu verflüssigenden Wasserstoff im Gasgemisch durch einen besonderen Fraktionierungsschritt bei der Kompression und Tiefkühlung der Gase entbehrlich zu machen, besonders wenn der Wasserstoff nicht als solcher, sondern in Mischung mit Stickstoff für die Ammoniaksynthese benutzt werden soll. Es kann dann nämlich das Kohlenoxyd mit verflüssigtem Stickstoff aus dem nach Verflüssigung der Kohlenwasserstoffe verbleibenden Gasgemisch ausgewaschen werden, wobei ein Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff zurückbleibt.The pretreatment of the gases according to the invention takes place in a still warm, highly water vapor-containing state and consists in passing them over catalysts at about 500 ° in connection with subsequent liberation of the gases from hydrogen sulfide and carbonic acid after cooling. The treatment of the gases with catalysts brings about a conversion of a considerable part of the carbon oxide contained in the gases according to the well-known reaction equation CO + H20 - CO, + H .., whereby the water vapor contained in the hot gases can be used and due to the strong reduction in the carbon oxide content the precondition for the convenient implementation of the decomposition by compression and freezing is created as soon as the hydrogen sulphide and carbonic acid have been eliminated in a known manner. The carbon oxide content can be reduced to z to q by the treatment mentioned. ° 1o be reduced. Such a carbon oxide content is low enough to make a separation of the most difficult to liquefy hydrogen in the gas mixture unnecessary by a special fractionation step during the compression and freezing of the gases, especially if the hydrogen is not as such, but mixed with nitrogen for the ammonia synthesis should be used. The carbon oxide can then be washed out of the gas mixture remaining after the liquefaction of the hydrocarbons with liquefied nitrogen, a mixture of hydrogen and nitrogen remaining behind.

Gegenüber dem Verfahren der direkten Trennung der Schwelgasbestandteile durch Kompression und Kühlung ergibt sich bei der genannten teilweisen Umsetzung des Kohlenoxyds in Wasserstoff und Kohlensäure der besondere Vorteil, daß die im Wasserdampf der Schwelgase steckende Verdampfungswärme für den Umsetzungsprozeß des Kohlenoxyds nutzbar gemacht wird und daß die aus den Schwelgasen direkt erhaltene Wasserstoffmenge viel größer wird.Compared to the process of direct separation of the carbonization gas components by compression and cooling results in the aforementioned partial implementation of the carbon dioxide in hydrogen and carbonic acid has the particular advantage that the im Heat of evaporation contained in the water vapor of the carbonization gases for the conversion process of the carbon monoxide is made usable and that the directly obtained from the carbonization gases Amount of hydrogen becomes much larger.

Die gemäß der Erfindung für die Schwelgase vorzunehmende Vorbehandlung vor Durchführung des Trennungsprozesses der Bestandteile durch Kompression und Tiefkühlung deckt sich mit einem für Leuchtgas bekannten Verfahren, welches auf möglichste Verringerung des Kohlenoxydgehalts des Leuchtgases hinarbeitet, um dieses in komprimiertem Zustande in Stahlflaschen speichern zu können, ohne daß eine Verunreinigung des Gases durch Eisenkarbonyl eintritt, welches sich bei Anwesenheit von etwas größeren Mengen Kohlenoxyd im Leuchtgas bei Speicherung des letzteren in Stahlflaschen bildet. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung scheidet der Gewichtspunkt der Herabsetzung des Kohlenoxyds bis zu einem Grade, bei welchem schädliche Verunreinigungen durch Eisenkarbonyl bei der Speicherung in Stahlflaschen vermieden werden, völlig aus, da eine Speicherung von kohlenoxydhaltigem Schwelgas überhaupt nicht in Frage kommt, da die Gasgemischkomponenten ohnehin durch Kompression und Tiefkühlung voneinander getrennt werden. Das vorbekannte Reinigungsverfahren für Leuchtgase legte es demnach in keiner Weise nahe, bei einem Verfahren der Trennung der Komponenten des Schwelgases durch Kompression und Tiefkühlung eine Vorbehandlung der noch war= men, wasserdampfhaltigen Gase eintreten zu lassen, wodurch ein Teil des Kohlenoxyds auf die gleiche Weise in Wasserstoff und Kohlensäure umgewandelt wird, wie es bei dem Reinigungsverfahren gemäß der älteren Erfindung bei Leuchtgas geschieht.The pretreatment to be carried out according to the invention for the carbonization gases before Performing the process of separating the components by compression and deep freezing coincides with a method known for luminous gas, which works towards reducing the carbon dioxide content of the luminous gas as much as possible to be able to store this in a compressed state in steel bottles without contamination of the gas by iron carbonyl occurs, which occurs in the presence of somewhat larger amounts of carbon oxide in the luminous gas when the latter is stored forms in steel bottles. In the method according to the invention, the weight point is different the reduction of carbon monoxide to the point where harmful impurities can be avoided entirely by using iron carbonyl when stored in steel bottles because storage of carbon dioxide-containing carbonisation gas is out of the question at all comes because the gas mixture components anyway by compression and freezing from each other be separated. The previously known cleaning process for luminous gases put it accordingly in no way close to a method of separating the components of the carbonization gas a pretreatment of the still hot, steam-containing ones by compression and deep freezing Let gases enter, eliminating some of the carbon dioxide in the same way is converted into hydrogen and carbonic acid, as is the case with the cleaning process happens according to the older invention at luminous gas.

Zur Durchführung der Umsetzung des Kohlenoxyds mit dem Wasserdampf der Schwelgase können die für die Reaktion bereits vorgeschlagenen, aus Metalloxyden bestehenden Katalysatoren Anwendung finden, z. B. die Oxyde von Eisen, Chrom, Nickel, Zink für sich oder in Gemischen miteinander und gegebenenfalls unter Mitbenutzung von Aktivatoren, wie z. B. Alkalien und seltenen Erden.To carry out the conversion of the carbon monoxide with the steam The carbonization gases can be those already proposed for the reaction, from metal oxides existing catalysts are used, e.g. B. the oxides of iron, chromium, nickel, Zinc alone or in mixtures with one another and, if necessary, with joint use of activators such. B. alkalis and rare earths.

Das neue Verfahren läßt sich in verschiedener Weise verwirklichen.The new process can be implemented in various ways.

Bei manchen Kohlenarten kann man in der Weise arbeiten, daß man sämtliche Schwelgase ohne vorherige Kondensation direkt über die Katalysatoren bei einer geeigneten Temperatur, welche in der Nähe von 5oo° liegt, durchleitet. In solchen Fällen genügt vielfach der aus der Feuchtigkeit der Rohkohle entweichende Wasserdampf zur Herbeiführung der gewünschten Umsetzung, so daß die Heranziehung von Frischdampf entweder ganz entbehrlich oder nur in ganz geringen Mengen benötigt wird.With some types of coal you can work in such a way that you can get all of them Carbonization gases without prior condensation directly over the catalysts at a suitable one Temperature, which is close to 500 °, passes through. In such cases it is sufficient often the water vapor escaping from the moisture of the raw coal to induce it the desired implementation, so that the use of live steam either entirely dispensable or only required in very small quantities.

Die große Menge Wasserdampf, welche solche Schwelgase aus der Rohkohle mitführen können und welche übrigens für die Umwandlang des Kohlenoxyds in Kohlensäure benötigt wird, bewirkt, daß sogar die in den Schwelgasen enthaltenen Kohlenwasserstoffe mit mehreren Atomen Kohlenstoff, wie z. B. Äthylen, Äthan und deren Homologen, welche bekanntlich gegen Hitze recht empfindlich sind, trotz der verhältnismäßig hohen Konvertierungstemperatur von etwa 5oo° C geschont werden und zum weitaus größten Teil unzersetzt bleiben.The large amount of water vapor which such carbonization gases from the raw coal and which, by the way, for the conversion of the carbon dioxide into carbonic acid is required, causes even the hydrocarbons contained in the carbonization gases with several atoms of carbon, such as. B. ethylene, ethane and their homologues, which are known to be quite sensitive to heat, despite the relatively high Conversion temperature of about 5oo ° C are preserved and by far the largest Part remain undecomposed.

Man kann auch in der Weise 'arbeiten, daß man aus den Schwelgasen zuerst in üblicher Weise die leichter kondensierbaren Nebenprodukte und die mitgeführten Wasserdämpfe abscheidet, den größten Teil- des Schwefelwasserstoffs in einer der bekannten Weisen entfernt und erst daraufhin die Schwelgase, mit genügender Menge Wasserdampf vermengt, über die eisenhaltigen Katalysatoren bei etwa 500° C durchleitet.One can also work in such a way that one gets out of the smoldering gases first the more easily condensable by-products and the entrained by-products in the usual manner Separates water vapors, most of the hydrogen sulfide in one of the known ways and only then the carbonization gases, with a sufficient amount Water vapor mixed, passed through the iron-containing catalysts at around 500 ° C.

Die Art der sich hierbei vollziehenden Verschiebung in der Zusammensetzung der Gase ersieht man aus folgenden Ausführungsbeispielen: Schwelgase von weiter unten mitgeteilter Zusammensetzung wurden bei Temperaturen zwischen 450- und 6oo° C über einen Katalysator geleitet, welcher durch Zersetzung eines Gemisches von etwa 8,5 °/o Eisennitrat und 15 °/o Chromnitrat gebildet wurde. Als Träger für diesen Katalysator wurden Bimssteinstücke, Tonscherben und auch schwach geglühte Bauxitstücke verwendet.The nature of the shift in the composition taking place here of the gases can be seen from the following exemplary embodiments: Smoldering gases from further The composition reported below were at temperatures between 450 and 600 ° C passed over a catalyst, which by decomposition of a mixture of about 8.5 per cent iron nitrate and 15 per cent chromium nitrate were formed. As a carrier for this Pieces of pumice stone, potsherds and also slightly annealed bauxite pieces were the catalyst used.

Die Feuchtigkeit der zu behandelnden Rohgase war so bemessen, daß sie einem Sättigungsgrade der Gase an Feuchtigkeit bei 6o bis 8o° C entsprach und mithin Zoo bis 700 g Wasser auf je i cbm trockenes Schwelgas mit einem Gehalt von 18 bis 24 °/o Kohlenoxyd betrug. Dies macht etwa i bis 3 Teile Wasserdampf auf i Teil Kohlenoxyd aus.The humidity of the raw gases to be treated was measured in such a way that it corresponded to a degree of saturation of the gases in humidity at 60 to 80 ° C and thus amounted to up to 700 g of water per 1 cbm of dry carbonization gas with a content of 18 to 24% carbon oxide . This amounts to about 1 to 3 parts of water vapor to 1 part of carbon dioxide.

Da bei der hier beschriebenen Arbeitsweise auf eine vollständige oder auch nur nahezu vollständige Entfernung des Kohlenoxyds es gar nicht ankommt, so kann man schon mit i bis 1,2 Teilen Wasserdampf auf i Teil Kohlenoxyd auskommen. Ein etwas größerer Überschuß an Wasserdampf störte die Um- . setzung nicht, ein sehr großer Überschuß hingegen verringerte das Umsetzungsverhältnis.Since the method of operation described here is based on a complete or even almost complete removal of the carbon dioxide does not matter, so you can get by with 1 to 1.2 parts of water vapor for 1 part of carbon oxide. A somewhat larger excess of water vapor disturbed the environment. setting not, a on the other hand, a very large excess reduced the conversion ratio.

Ein mäßiger Gehalt an Schwefel und schwefelhaltigen Verbindungen in den Schwelgasen erwies sich für die Umsetzung als nicht hinderlich.A moderate content of sulfur and sulfur-containing compounds in the smoldering gases did not prove to be a hindrance to implementation.

In der weiter folgenden Aufstellung bedeuten Ia, 11a, IIIa die Zusammensetzung des ursprünglichen rohen Schwelgases, Ib, Hb, IIIb die Zusammensetzung der Gase nach der katalytischen Behandlung und Ic, IIc, IIIc die Zusammensetzung. derselben Gase, nachdem ihnen die Kohlensäure und, falls vorhanden, der Schwefelwasserstoff auf irgendeine bekannte Weise entzogen worden war: CO, C@HyCO H, C2H6 C11,4 N.; Ia io,8@ 5,2 I8,4 35 3,I I 2=,I 6,1 Ib 2I,3 4,6 4,2 42 3,6 I7,3 6,I Ic - 5,8 5,3 53,0 4,5 22,0 7,7 Ha 20,7 4,I 22,8 2o,6 3,3 23,I 4,2 IIb 3I,1 3,I 6,6 30,5 3,5 20,I 5,I IIc - 4,5 9,5 44,5 5,7 29,0 7,4 IIIa I7 4,8 23,9 22 3,9 23,5 4,6 IIIb 3I,6 4 2,4 32,5 4,I 18,I 7,3 IIIc - 5,8 3,5 47,516,o 27,5 9,3 Wie hieraus ersichtlich, erhält man nach der erfolgten Katalyse und Entziehung der Kohlensäure ein Gasgemisch, welches zwischen 45 und 55 %Wasserstoff enthält, ohne daß- hierbei der Gehalt an Kohlenwasserstoffen in nennenswerter Weise zurückgeht.In the list below, Ia, 11a, IIIa denote the composition of the original crude carbonization gas, Ib, Hb, IIIb denote the composition of the gases after the catalytic treatment and Ic, IIc, IIIc denote the composition. of the same gases after the carbonic acid and, if present, the hydrogen sulphide had been removed from them in some known manner: CO, C @ Hy C O H, C2H6 C11.4 N .; Ia io.8 @ 5.2 I8.4 35 3, II 2 =, I 6.1 Ib 2I, 3 4.6 4.2 42 3.6 I7.3 6, I. Ic - 5.8 5.3 53.0 4.5 22.0 7.7 Ha 2 0 , 7 4, I 22.8 2o, 6 3.3 23, I 4.2 IIb 3I, 1 3, I 6.6 30.5 3.5 20, I 5, I. IIc - 4.5 9.5 44.5 5.7 29.0 7.4 IIIa I7 4.8 23.9 22 3.9 23.5 4.6 IIIb 3I, 6 4 2.4 32.5 4, I 18, I 7.3 IIIc - 5.8 3.5 47.516, o 27.5 9.3 As can be seen from this, after the catalysis and removal of the carbonic acid, a gas mixture is obtained which contains between 45 and 55% hydrogen without the hydrocarbon content decreasing in any noteworthy manner.

Wenn auch die Reihe b gegenüber der Reihe a einen etwas geringeren Gehalt an Kohlenwasserstoffen aufweist, so ist diese Verringerung mehr scheinbarer Art, weil das behandelte Gasgemisch bei dem Übergang aus der Reihe a in die Reihe b eine Volumenvermehrung von etwa 15 % aufweist.Even if row b has a slightly lower content of hydrocarbons than row a, this reduction is more of an apparent nature, because the treated gas mixture has an increase in volume of about 15 % at the transition from row a to row b.

Die so katalysierten Gase werden in Wärmeaustauschern auf die Lufttemperatur abgekühlt, wobei die mitgeführten, bereits vor der Katalyse enthaltenen sowie auch etwaige während der Katalyse neu entstandene, leicht verflüssigbare Kohlenwasserstoffe und das Wasser sich flüssig abscheiden. Hierauf wird die Kohlensäure und der restliche Schwefelwasserstoff aus den so vorbehandelten Gasen in einer an sich bekannten Weise entfernt, indem die Schwelgase beispielsweise mittels Brauneisenerz, Luxscher Masse oder eisenoxydhaltiger Lösungen behandelt werden. Nach Entfernung des Schwefelwasserstoffs wird die Kohlensäure, sei es durch Auswaschen mit Wasser unter Druck, sei es durch Behandlung mit Ätzalkalien, von ihrem Kohlensäuregehalt befreit.The gases catalyzed in this way are brought to air temperature in heat exchangers cooled, with the entrained, already contained before the catalysis as well any easily liquefiable hydrocarbons newly formed during catalysis and the water separates in liquid form. Thereupon the carbonic acid and the rest Hydrogen sulfide from the gases thus pretreated in a manner known per se removed by the carbonization gases, for example by means of brown iron ore, Luxscher mass or solutions containing iron oxide are treated. After removing the hydrogen sulfide the carbonic acid, be it by washing with water under pressure, be it by Treatment with caustic alkalis, freed from their carbonic acid content.

Angesichts des Umstandes, daß die Schwelgase schon an sich reich an Kohlensäure sind und durch die hier beschriebene Behandlung noch mehr an Kohlensäure weiter angereichert werden, kann es leicht eintreten, daß der Gesamtgehalt der Schwelgase an Kohlensäure an die 3o bis 40 % beträgt. Unter Umständen kann es sich daher empfehlen, die aus den Schwelgasen ausgewaschene Kohlensäure technisch zu verwerten, sei es. zur Herstellung von flüssiger oder fester Kohlensäure, sei es zu chemischen Umsetzungen.In view of the fact that the smoldering gases are already rich in themselves Are carbonic acid and even more carbonic acid due to the treatment described here are further enriched, it can easily happen that the total content of the carbonization gases of carbonic acid is around 3o to 40%. It may therefore be advisable to to technically utilize the carbon dioxide leached from the smoldering gases, be it. for the production of liquid or solid carbon dioxide, be it for chemical reactions.

Das so vorbehandelte und vorgereinigte Gab, welches nunmehr im wesentlichen aus beispielsweise 26 % Methan und Homologen, i r % Äthylen, Äthan und deren Homologen, 6% Kohlenoxyd, 53 % Wasserstoff, r 0Io Sauerstoff und 30/,Stickstoff besteht, wird bei einem mäßigen Druck von beispielsweise zo bis 3o Atm. vorgekühlt und darauf in den bekannten Gaszerlegungsapparaten, sei es unter Anwendung eines äußeren Kältebades, sei es vermittels Expansion unter Leistung äußerer Arbeit, so tief heruntergekühlt, daß die Kohlenwasserstoffe in verflüssigtem Zustande sicht restlos abscheiden und nur Wasserstoff mit ganz geringfügigen Mengen an Stickstoff und Kohlenoxyd gasförmig verbleibt.The so pretreated and pre-cleaned gas, which now consists essentially of, for example, 26 % methane and homologues, ir % ethylene, ethane and their homologues, 6% carbon oxide, 53% hydrogen, r 0Io oxygen and 30% nitrogen Pressure from, for example, ten to thirty atmospheres. pre-cooled and then in the known gas separation apparatus, be it using an external cooling bath, be it by means of expansion with the performance of external work, cooled down so deep that the hydrocarbons in the liquefied state separate out completely and only hydrogen with very small amounts of nitrogen and carbon oxide in gaseous form remains.

Die in den einzelnen Teilen des Apparates sich ansammelnden Mengen flüssiger Kohlenwasserstoffekann man gemeinsam entspannen und vergasen; wenn es aber darauf ankommt, die einzelnen Kohlenwasserstoff e, wie z. B. Propan, Äthan, Äthylen, Methan usw., für sich oder wenigstens in stark angereichertem Zustande zu erhalten, kann man die an einzelnen Stellen sich ,ansammelnden Flüssigkeiten einer einfachen oder mehrfachen Rektifikation unterwerfen.The quantities that accumulate in each part of the apparatus liquid hydrocarbons can be expanded and gasified together; if it but it depends on the individual hydrocarbons e, such. B. propane, ethane, Ethylene, methane, etc., by themselves or at least in a highly enriched state one can get the fluids that accumulate in individual places subject to a single or multiple rectification.

Man kann hierbei den Wasserstoff in sehr reinem Zustande erhalten, wenn man denselben in bekannter Weise so stark herunterkühlt, daß die geringen, von ihm mitgeführten Mengen Kohlenoxyd und Stickstoff sich verflüssigen. Kommt es hingegen darauf an, den Wasserstoff zur Ammoniaksynthese zu verwenden, wobei es ohnehin mit Stickstoff vermischt werden muß, so kann das Kohlenoxyd in bekannter Weise durch Auswaschen des Wasserstoffs mit flüssigem Stickstoff vollständig entfernt werden. Hierbei kann die Arbeitsweise, insbesondere die Verdampfung des flüssigen Stickstoffs und gegebenenfalls der Zusatz an gasförmigem Stickstoff, so geregelt werden, daß das entweichende kohlenoxydfreie Gasgemisch die für die Synthese benötigte @usa.mmenstellung, z. B. 75 0%o Wasserstoff und 25 0lo Stickstoff, aufweist und daher katalysenfertig ist.Here the hydrogen can be obtained in a very pure state, if one cools it down in a known way so much that the small, Amounts of carbon dioxide and nitrogen carried along by it liquefy. It will come however, on using the hydrogen for ammonia synthesis, whereby it has to be mixed with nitrogen anyway, the carbon oxide can be used in a known manner Way completely removed by washing out the hydrogen with liquid nitrogen will. The method of operation, in particular the evaporation of the liquid Nitrogen and optionally the addition of gaseous nitrogen, regulated in this way be that the escaping carbon oxide-free gas mixture required for the synthesis @ usa.mmenstellung, z. B. 75 0% o hydrogen and 25 0lo nitrogen, and is therefore ready for catalysis.

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Vorbehandlung von Schwelgasen für die Zerlegung durchKompression und Tiefkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß die noch warmen, stark wasserdampfhaltigen Rohgase durch Überleiten Tiber Katalysatoren bei etwa 5oo° von dem größeren Teil ihres Kohlenoxydgehalts und nach Kühlung von Schwefelwasserstoff und Kohlensäure befreit werden.PATENT CLAIM: Process for the pretreatment of carbonization gases for the Disassembly by compression and freezing, characterized in that the still warm raw gases containing a lot of water vapor by passing over catalysts about 500 ° of the greater part of their carbon monoxide content and, after cooling, of hydrogen sulphide and be released from carbon dioxide.
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