DE60307885T2

DE60307885T2 - Katalytischer reaktor und verfahren

Info

Publication number: DE60307885T2
Application number: DE60307885T
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Preston BOWE; Clive Derek Poole LEE-TUFFNELL
Original assignee: CompactGTL PLC
Current assignee: CompactGTL PLC
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: CA2505614C; EP1567616B2; DK1567616T3; JP2006508234A; DK1567616T4; ATE337385T1; KR101053040B1; EP1567616B1; JP4446388B2; BR0316828A; WO2004050799A1; DE60307885D1; CA2505614A1; EP1567616A1; AU2003285558B2; RU2005120773A; BR0316828B1; KR20050085124A; RU2310677C2; AU2003285558A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein chemisches Verfahren und auf einen katalytischen Reaktor, der für die Verwendung bei Ausführung des Verfahrens geeignet ist.
Das Dokument FR 2824755 offenbart ein Verfahren zur Ausführung der Fischer-Tropsch-Synthese unter Verwendung einer kompakten katalytischen Reaktoreinheit, die Kanäle für die Fischer-Tropsch-Synthese-Reaktion bildet, bei der eine gasdurchlässige Katalysatorstruktur vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas sich einer Fischer-Tropsch-Synthese in einer einzigen Stufe unterzieht.
Das Dokument US 4199523 beschreibt Mehrstufen und eine begrenzte Umwandlung und Kondensation von Wasser zwischen den Stufen in einem Verfahren, bei dem eine Festbett-Technologie zur Anwendung kommt, um die Produktion von leichtgewichtigen Kohlenwasserstoffen zu begünstigen. Nichts in diesem Dokument gibt einen Hinweis über die Katalysator-Desaktivierung.
Ein Verfahren ist in WO 01/51194 (Accentus plc) beschrieben, bei dem Methan mit Dampf zur Reaktion gebracht wird, um Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem ersten katalytischen Reaktor zu erzeugen; das resultierende Gasgemisch wird dann dazu verwendet, die Fischer-Tropsch-Synthese in einem zweiten katalytischen Reaktor durchzuführen. Das Gesamtergebnis ist, Methan zu Kohlenwasserstoffen von höherem Molekulargewicht umzuwandeln, die gewöhnlich unter Umgebungsbedingungen flüssig oder fest sind. Die beiden Stufen des Verfahrens, Dampf/Methan-Reformierung und Fischer-Tropsch-Synthese, erfordern unterschiedliche Katalysatoren, und katalytische Reaktoren werden für jede Stufe beschrieben. Die katalytischen Reaktoren ermöglichen es, Hitze jeweils zu und von den reagierenden Gasen zu transferieren, da die Reaktionen jeweils endothermisch und exothermisch sind; die für die Dampf/Methan-Reformierung erforderliche Hitze wird durch Gasverbrennung vorgesehen. Ein bekannter Katalysator für die Fischer-Tropsch-Synthese nutzt kleine Partikel von Kobalt auf einem keramischen Träger, aber es wurde festgestellt, daß dieser Katalysator eine Oxidation oder eine irreversible Reaktion mit dem keramischen Träger bei Anwesenheit von Wasserdampf mit einer daraus resultierenden Schwächung der Aktivität erleidet. Ein verbesserter Weg zur Durchführung dieses Verfahrens wurde nun gefunden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen ein Verfahren zur Durchführung einer Fischer-Tropsch-Synthese unter Verwendung mindestens einer kompakten katalytischen Reaktoreinheit, die Kanäle für die Fischer-Tropsch-Synthesereaktion bildet, bei der eine gasdurchlässige Katalysator-Struktur vorhanden ist, wobei ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas sich einer Fischer-Tropsch-Synthese in mindestens zwei aufeinander folgenden Stufen unterzieht, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit in der ersten Stufe ausreichend hoch ist, damit nicht mehr als 70% des Kohlenmonoxids sich der Synthesereaktion in der ersten Stufe unterzieht, wobei die Gase zwischen den aufeinander folgenden Stufen gekühlt werden, um Wasserdampf zu kondensieren, und die Gas-Strömungsgeschwindigkeit in der zweiten Stufe ausreichend hoch ist, damit nicht mehr als 70% des verbleibenden Kohlenmonoxids sich der Synthesereaktion in der zweiten Stufe unterzieht.
Vorzugsweise beträgt sowohl in der ersten Stufe als auch in der zweiten Stufe die Raumgeschwindigkeit etwa 1000/h, aber vorzugsweise nicht mehr als 15000/h. Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, daß Wasserdampf 20 Mol-% nicht überschreitet. Vorzugsweise unterziehen sich in der Stufe nicht mehr als 65% des Kohlenmonoxids einer Umwandlung.
Die Raumgeschwindigkeit wird in dieser Beschreibung definiert als die Volumen-Strömungsrate der Gase, die dem Reaktor zugeführt werden (gemessen als STP), geteilt durch das Leervolumen des Reaktors. Wenn somit der Reaktor bei 210°C und einem Druck von 2,5 Mpa steht, entspricht eine Raumgeschwindigkeit von 5000/h einer Gasströmung (bei Betriebsbedingungen) von etwa 354 mal dem Leervolumen pro Stunde und somit einer Verweilzeit von etwa 10 s.
Somit sieht die Erfindung außerdem ein Verfahren vor zur Durchführung der Fischer-Tropsch-Synthese an einem Gas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, unter Verwendung mindestes einer kompakten katalytischen Reaktoreinheit, die Kanäle bildet für die Fischer-Tropsch-Synthesereaktion, bei der eine gasdurchlässige Katalysator-Struktur vorhanden ist, wobei die Synthesereaktion in mindestens zwei aufeinander folgenden Stufen durchgeführt wird, und zwar bei einer ausreichend hohen Gas-Strömungsgeschwindigkeit, damit Wasserdampf 20 Mol-% nicht überschreitet und damit zwischen aufeinander folgenden Stufen die Gase gekühlt werden, um so Wasserdampf zu kondensieren.
Die Erfindung sieht außerdem ein Gerät zur Durchführung einer solchen Fischer-Tropsch-Synthese vor. Dieses kann eine kompakte katalytische Reaktoreinheit enthalten, die Kopfstücke enthält, welche aufeinander folgende Strömungskanäle miteinander verbinden, wobei die Kopfstücke Einrichtungen umschließen, um Wasserdampf zu kondensieren und kondensierte Flüssigkeiten aus dem Kopfstück abzuführen. Die katalytische Reaktoreinheit weist vorzugsweise eine Vielzahl von Metallblechen auf, die als Stapel angeordnet und miteinander verbunden sind, um Kanäle für die Fischer-Tropsch-Synthese zu bilden, die sich mit Kanälen für ein Wärmeaustauschmedium abwechseln. Vorzugsweise liegt die Temperatur in den Synthesekanälen oberhalb 190°C, z.B. bei 200°C. Gewellte oder angesenkte Folien, Metallmaschen oder gewellte oder geriffelte Metallfilzplatten können als Substrat für die Katalysatorstruktur innerhalb der Strömungskanäle verwendet werden, um die Wärmeübertragung und den Katalysator-Oberflächenbereich zu begünstigen.
Es versteht sich, daß die Materialien, aus denen der Reaktor hergestellt ist, bei Gebrauch einer korrosiven Atmosphäre ausgesetzt sind. Der Reaktor kann aus einem Metall, wie beispielsweise einem aluminiumhaltigen ferritischen Stahl bestehen, z.B. kann er Eisen mit 15% Chrom, 4% Aluminium und 0,3% Yttrium (z.B. Fecralloy^® aufweisen. Wenn dieses Metall in Luft erhitzt wird, bildet es eine anhaftende Oxidbeschichtung aus Aluminiumoxid, welches die Legierung vor weiterer Oxidation schützt; diese Oxidschicht schütz die Legierung außerdem gegen Korrosion. Wo dieses Metall als Katalysator-Substrat verwendet wird und mit einer keramischen Schicht überzogen ist, in die ein katalytisches Material einbezogen ist, so ist zu vermuten, daß die Aluminiumoxidschicht auf dem Metall sich mit dem Oxidüberzug bindet und somit sicherstellt, daß das katalytische Material am Metallsubstrat haftet. Andere Edelstähle können auch verwendet werden. Die Scheiben oder Platten, welche die Kanäle bilden, können alternativ aus Aluminium bestehen.
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen nur beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnungen beschreiben. Dabei zeigt
1 eine Schnittdarstellung eines Reaktors, der zur Durchführung einer Fischer-Tropsch-Synthese geeignet ist, wobei eine Platte in Draufsicht dargestellt ist, und
2 eine Abänderungsform des Reaktors nach 1.
Die Erfindung bezieht sich auf die Fischer-Tropsch-Synthese, die einen Teil eines Verfahrens zur Umwandlung von Methan zu längerkettigen Kohlenwasserstoffen bilden kann. Fischer-Tropsch-Synthese ist eine Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Wasserstoff, und dieses Gasgemisch kann zum Beispiel durch Dampf/Methan-Reformierung erzeugt werden. Bei der Fischer-Tropsch-Synthese reagieren die Gase, um einen längerkettigen Kohlenwasserstoff zu erzeugen, d.h.: nCO + 2nH₂ → (CH₂) + nH₂O,welches eine exothermische Reaktion ist, die bei einer erhöhten Temperatur stattfindet, im typischen Fall zwischen 190 und 350°C, z.B. bei 210°C, und bei einem erhöhten Druck von typischerweise zwischen 2 Mpa und 4 Mpa, z.B. 2,5 Mpa, in Gegenwart eines Katalysators wie Eisen, Kobalt oder geschmolzenes Magnetit, mit einem Promoter. Das exakte Wesen der organischen, durch die Reaktion gebildeten Verbindung hängt ab von der Temperatur, dem Druck und dem Katalysator, wie auch das Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff.
Ein bevorzugter Katalysator besitzt einen Überzug aus Gamma-Aluminiumoxid von spezifischem Oberflächenbereich von 140–450 m²/g mit etwa 10–40% (gewichtsmäßig verglichen mit dem Gewicht von Aluminiumoxid) Kobalt und mit einem Ruthenium/Platin-Promotor, wobei der Promoter zwischen 0,01% bis 10% des Kobalt-Gewichtes ausmacht. Es kann außerdem ein Basicitäts-Promoter wie beispielsweise Gadoliniumoxid dabei sein. Die Aktivität und Selektivität des Katalysators sind abhängig vom Grad der Dispersion von Kobaltmetall auf dem Träger, wobei der optimale Pegel der Kobalt-Dispersion im typischen Fall im Bereich 0,1 bis 0,2 liegt, so daß zwischen 10% und 20% der Kobalt-Metallatome an der Oberfläche anwesend sind. Je größer der Grad von Dispersion ist, um so kleiner muß selbstverständlich die Kobaltmetall-Kristallitgröße sein, und diese liegt typischerweise im Bereich von 5–15 nm. Kobaltpartikel von einer solchen Größenordnung liefern einen hohen Pegel von katalytischer Aktivität, können aber in Gegenwart von Wasserdampf oxidieren, und dies führt zu einer drastischen Minderung ihrer katalytischen Aktivität. Das Ausmaß dieser Oxidation ist abhängig von den Proportionen von Wasserstoff und Wasserdampf in der Nähe der Katalysatorpartikel und außerdem von ihrer Temperatur, wobei höhere Temperaturen und höhere Anteile von Wasserdampf beide das Ausmaß von Oxidation erhöhen.
Nach 1 weist ein Reaktor 10 für Fischer-Tropsch-Synthese einen Stapel Fecralloy-Stahlplatten 12 auf, wobei jede Platte allgemein rechteckig ausgebildet, 450 mm lang, 150 mm breit und 6 mm dick ist, wobei diese Dimensionen lediglich beispielsweise angegeben sind. Auf der oberen Oberfläche jeder derartigen Platte 12 befinden sich rechteckige Nuten 14 mit einer Tiefe von 5 mm, die durch hervorstehende Teile 15 voreinander getrennt sind (acht solcher Nuten sind dargestellt), es gibt jedoch drei unterschiedliche Anordnungen der Nuten 14. In der in der Zeichnung dargestellten Platte 12 erstrecken sich die Nuten 14 diagonal bei einem Winkel von 45° zur Längsachse der Platte 12, von oben links nach unten rechts, wie dargestellt. Bei einem zweiten Typ von Platte 12 folgen die Nuten 14a (wie durch unterbrochene Linien dargestellt) einem spiegelbildlichen Muster, wobei sie sich diagonal mit 45° von unten links nach oben recht erstrecken, wie dargestellt. Bei einem dritten Typ von Platte 12 erstrecken sich die Nuten 14b (wie durch strichpunktierte Linien dargestellt) parallel zur Längsachse.
Die Platten 12 sind in einem Stapel zusammengefaßt, wobei jede vom dritten Typ von Platte 12 (mit den Längsnuten 14b) sich zwischen einer Platte mit diagonalen Nuten 14 und einer Platte mit spiegelbildlichen diagonalen Nuten 14a befindet, und nach Zusammenbau vieler Platten 12 wird der Stapel mit einer ebenen rechteckigen Platte vervollständigt. Die Platten 12 werden zusammengepreßt und einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine Diffusionsbindung zu bewirken, oder sie werden durch Hartlötung zusammengefügt, so daß sie gegeneinander abgedichtet sind. Gewellte Fecrally-Folien 16 (nur eine dargestellt), 50 Mikron dick, mit einer Keramikschicht überzogen, imprägniert mit einem Katalysatormaterial, von passenden Formen und mit 5 mm hohen Wellungen, können in jede solcher Diagonalnuten 14 oder 14a geschlitzt werden.
Mehr bevorzugt werden Paare von gewellten, mit Katalysator überzogenen Folien 16 mit Wellungen etwa 2,4 mm hoch mit einer flachen katalysatorbeschichteten Folie zwischen ihnen, gestapelt und mit Punktschweißung zusammengefügt, bevor die Nuten 14 oder 14a eingeschlitzt werden.
Sammelkammern 18 werden entlang jeder Seite an den Stapel angeschweißt, wobei jede Sammelkammer 18 aufgrund zweier Rippen 20, die ebenfalls mit dem Stapel verscheißt sind, drei Räume bildet. Die Rippen 20 erstrecken sich über ein Drittel des Weges entlang der Länge des Stapels von jedem Ende her und decken sich mit einem hervorstehenden Teil 15 (oder einem Teilstück der Platten ohne Nut) in jeder Platte 12 mit Diagonalnuten 14 oder 14a. Kühlmittel-Kopfstücke 22 in Form von rechteckigen Kappen sind an den Stapel an jedem Ende angeschweißt, die mit den Längsnuten 14b kommunizieren. Bei einer Abänderungsform (nicht dargestellt) könnten stattdessen drei benachbarte Sammelkammern 18 vorhanden sein, von denen jede eine rechteckige Kappe wie die Sammelkammern 22 wäre. Innerhalb eines jeden der zentralen Räume der Sammelkammern 18 befinden sich Kühlmittelrohre 25, die sich über die gesamte Höhe des Stapels erstrecken. An der Basis jedes dieser zentralen Räume befindet sich eine Auslaßleitung (nicht dargestellt), über die auf den Rohren 25 kondensierende Flüssigkeiten austreten können. Zur Verwendung ist der Reaktor 10 mit im Wesentlichen in horizontalen Ebenen liegenden Platten 12 angeordnet, so daß die Kühlmittelrohre 25 im Wesentlichen vertikal verlaufen.
Bei Gebrauch des Reaktors 10 wird das Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff den Kammern beider Sammelkammern 18 am einen Ende (links, wie dargestellt) des Stapels zugeführt, und somit treten durch Fischer-Tropsch-Synthese produzierte Gase über die Kammern beider Sammelkammern 18 am rechten Ende, wie dargestellt, aus. Der Strömungsweg für das der oben links befindlichen Sammelkammer (wie dargestellt) zugeführte Gemisch verläuft z.B. über die Diagonalnuten 14 in die unten mittlere Sammelkammer, um dann über die Diagonalnuten 14a in anderen Platten im Stapel in die Sammelkammer oben recht zu strömen. Ein Kühlmittel wird der Sammelkammer 22 am gleichen Ende des Stapels zugeführt, um die Temperatur innerhalb des Reaktors bei ungefähr 210°C zu halten, so daß das Kühlmittel sich auf seiner niedrigsten Temperatur in dem Bereich befindet, wo die Wärmeerzeugung sich während der ersten Stufe auf ihrem Maximum befindet. Somit sind die Strömungen der reagierenden Gase und das Kühlmittel zumindest teilweise gleichlaufend. Die Absicht ist, sich isothermischen Bedingungen durch den Reaktor 10 hindurch zu nähern; dies hat den Vorteil der Minimierung der Gefahr, daß irgendwelcher Wachs (d.h. sehr langkettiger Kohlenwasserstoff) die Strömungskanäle in Richtung Auslaß von den Reaktionskanälen her blockiert, wenn die örtliche Temperatur unter etwa 190°C abfällt. (Wenn Wachsniederschläge vorkommen, dann können sie durch Erhöhung der Kühlmitteltemperatur um zwischen 5° und 15°C beseitigt werden, und auch durch Zuführen von wasserstoffreichen Gegengas durch den Reaktor hindurch). Die Strömungsräte (Raumgeschwindigkeit) der reagierenden Gase liegt im Bereich 1000–15000/h, um sicherzustellen, daß die Umwandlung von Kohlenmonoxid nur etwa 60% oder weniger bis zu der Zeit beträgt, wo die Gase die mittlere Kammer der Sammelkammern 18 erreichen.
Die Kühlmittelrohre 25 werden mit Kühlmittel bei einer anderen Temperatur versorgt, so daß sie kühler sind, z.B. bei 150°C (was unterhalb des Siedepunktes von Wasser bei dem Druck im Reaktor ist). Folglich kondensieren Wasserdampf (und einiges der langkettigen Kohlenwasserstoffe) an der äußeren Oberfläche der Kühlmittelrohre 25 und läuft an diesen Rohren nach unten, um aus der Auslaßleitung (nicht dargestellt) am Boden des Stapels auszutreten. Dies reduziert beträchtlich den Partialdruck von Wasserdampf im Gasgemisch, das in den nächsten Satz von Diagonalnuten 14 oder 14a weiterfließt. Die Folge davon ist, daß die Fischer-Tropsch-Synthese in zwei aufeinander folgenden Stufen stattfindet – die erste Stufe, wenn das Gas von den Einlaßkammern der Sammelkammern 18 zu den mittleren Kammern strömt; und die zweite Stufe, wenn das Gas aus den mittleren Kammern zu den äußeren Kammern strömt – und zumindest ein Teil des in der ersten Stufe erzeugten Wasserdampfes wird aus dem Gasstrom abgezogen, bevor er in die zweite Stufe eintritt.
Es versteht sich, daß der Reaktor 10 auf verschiedene Weise modifiziert werden kann und daß vor allem die Platten 12 unterschiedliche Dicken haben können. Zum Beispiel können die Platten 12, die die Diagonalnuten 14 und 14a bilden, in denen die Fischer-Tropsch-Synthese stattfindet, 10 mm dick sein und 9 mm tiefe Nuten haben, während die Platten 12 mit Längsnuten 14b für das Kühlmittel nur 4 mm dick sein können und 3 mm tiefe Nuten haben können. In diesem Fall könnten die gewellten Folien 16 durch einen Stapel aus z.B. drei oder vier gewellten Folien ersetzt werden, die miteinander punktgeschweißt sind, so daß die Gesamthöhe 9 mm beträgt. Derartige tiefere Nuten haben einen Vorteil, wenn irgendwelches wachsige Material erzeugt wird, da sie für eine Blockade weniger auffällig sind. Kanäle mit mehr als etwa 2 mm Tiefe verbessern die Massentransporteigenschaften des gewellten Katalysatoreinsatzes 16; im Fall der Fischer-Tropsch-Synthese ermöglicht dies effiziente Drainage und Beseitigung flüssiger Produkte und den Transfer von Reaktionsgasen an die Oberfläche des Katalysators. Die Aufteilung oder das Muster der gewellten Folien 16 kann entlang einem Reaktorkanal 14 oder 14a variieren, um die katalytische Aktivität einzuregeln und somit eine Kontrolle über die Temperaturen oder Reaktionsraten an verschiedenen Stellen im Reaktor 10 vorzusehen. Ferner können die Diagonalnuten auf ihrer Länge in der Breite abnehmen und möglicherweise auch in der Tiefe, um so die Strömungsmittel-Strömungsbedingungen sowie auch die Wärme- oder Massentransfer-Koeffizienten zu verändern.
Während der Synthesereaktion nimmt das Gasvolumen ab, und durch entsprechende Verjüngung der Kanäle 14 kann die Gasgeschwindigkeit bei fortschreitender Reaktion aufrechterhalten werden, um die zum Ziel gesetzte Umwandlung beizubehalten. Ein alternativer Weg zur Beibehaltung der Gasgeschwindigkeit besteht darin, die Anzahl von Strömungskanälen zu vermindern, wie in 2 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen wird. Diese zeigt eine Ansicht entsprechend der von 1. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Diagonalnuten 14 (und 14a), welche die zweite Stufe der Fischer-Tropsch-Synthese bilden, d.h. die Nuten 14 (und 14a) zwischen der mittleren Kammer und der rechten Kammer der Sammelkammer 18 durch breitere Zwischenwände 30 voneinander getrennt sind, so daß drei solcher Nuten in jeder Platte 12 vorhanden sind.
Es versteht sich außerdem, daß ein abgeänderter Reaktor mehr Stufen haben könnte, wobei er z.B. ein Dreistufen-Fischer-Tropsch-Reaktor wäre und die Sammelkammern 18 vier aufeinander folgende Kammern entlang jeder Seite des Reaktors bilden, und mit Kondensrohren 25 in jeder der beiden mittleren Kammern. Die Gesamtumwandlung kann im Wesentlichen die gleiche sein, z.B. zwei 60%-Umwandlungsstufen und drei 50%-Umwandlungsstufen würden jeweils eine Gesamtumwandlung von über 80% vorsehen.
Das Abführung des Wasserdampfes und der niedriger siedenden Kohlenwasserstoffe zu den Kondensrohren 25 vermindert nicht nur den Partialdruck des Wasserdampfes und unterdrückt somit die Oxidation des Katalysators, sondern hat den weiteren Vorteil der Abführung von mindestens einem Teil jener Kohlenwasserstoffe, die einen flüssigen Belag auf der Katalysatorstruktur bilden würden. Jeder derartige flüssige Belag verhindert den Kontakt des Gasgemisches mit den Katalysator-Partikeln und hemmt die Diffusion der Produkt-Kohlenwasserstoffe weg von den Katalysator-Partikeln, und so minimiert die Beseitigung der Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit diese diffusionalen Widerstände.
In den 1 und 2 sind nur vier Kondensrohre 25 in jeder mittleren Kammer dargestellt, jedoch ist einsehbar, daß auch eine andere Anzahl von Rohren, z.B. zehn oder mehr vorhanden sein können. Und um die Wärmeübertragung zu begünstigen, kann jedes Rohr 25 mit Rippen versehen sein, vorzugsweise mit Rippen, die sich in Längsrichtung erstrecken, so daß die Strömung von kondensierter Flüssigkeit die Rohre 25 hinab nicht behindert wird. Nicht nur Wasserdampf kondensiert an den Rohren, sondern auch jegliche Flüssigkeits-Tröpfchen, die vom Gasstrom mitgerissen werden, tendieren dazu, auf die Oberfläche der Rohre 25 zu treffen, und werden so von der Gasströmung getrennt. Als eine Alternative zu den Wärmetauscherrohren 25 oder anderen Wärmeübertragungsflächen kann ein Sprüh-Kondensersystem innerhalb der mittleren Kammern der Sammelkammer 18 vorgesehen werden, welches als Kühlmittel flüssige Recycle-Produkte aus der Fischer-Tropsch-Synthese bei etwa 150°C benutzt. Dies würde besonders vorteilhaft sein, wenn eine Gefahr von Wachsniederschlägen besteht, welche die Wärmetauscher-Oberfläche belegen.
Alternativ kann die Kühlung und Kondensation auch separat vom Reaktor und außerhalb desselben ausführt werden. Zum Beispiel drei Reaktoren 10, aber ohne Kühlrohre 25 in der Sammelkammer, könnten angeordnet werden, um Gasströmungen parallel zu führen, wobei die Umwandlung von CO durch Steuerung der Reaktionstemperatur und Raumgeschwindigkeit auf unter 65% beschränkt wird. Die Auslaßgase aus den drei Reaktoren werden über eine Sammelleitung mit einer Kondensereinheit verbunden, in welcher Wasserdampf und flüssige Kohlenwasserstoff-Produkte kondensiert werden. Die übrigen Gase, mit vermindertem Wasser-Partialdruck, können dann einem einzelnen derartigen Reaktor 10 (wieder ohne die Kühlrohre 25) zugeführt werden, so daß wieder 60% des restlichen unreagierten CO sich der Synthese-Reaktion unterziehen. Die Verminderung im Gasvolumen zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe – weil vieles von dem Gas sich der Synthese unterzog und eine Flüssigkeit bildete – wird durch Reduzierung der Anzahl von Reaktoreinheiten von drei auf eine ausgeglichen, um so eine hohe Strömungsgeschwindigkeit beizubehalten.
Zusätzliche Vorteile der hohen Gas-Strömungsgeschwindigkeit sind eine Reduzierung der Temperaturänderung über die Reaktionskanäle hinweg durch Unterstützung bei der Wiederverteilung der Wärme aus den exothermischen Reaktionen an der Oberfläche des Katalysators in die Gasphase. Es hilft auch dabei, die flüssigen Reaktionsprodukte in die Gasströmung einzubinden und die Katalysator-Oberfläche von wachsartigen Niederschlägen frei zu halten.

Claims

Verfahren zur Durchführung einer Fischer-Tropsch-Synthese unter Verwendung mindestens einer kompakten katalytischen Reaktoreinheit (10), die Kanäle (14, 14a) für die Fischer-Tropsch-Synthesereaktion bildet, bei der eine gasdurchlässige Katalysatorstruktur (16) vorhanden ist, dadurch kennzeichnet, daß ein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas sich einer Fischer-Tropsch-Synthese in mindestens zwei aufeinander folgenden Stufen unterzieht, wobei die Gas-Strömungsgeschwindigkeit in der ersten Stufe ausreichend hoch ist, damit nicht mehr als 70% des Kohlenmonoxids sich der Synthesereaktion in der ersten Stufe unterzieht, wobei die Gase zwischen den aufeinander folgenden Stufen gekühlt (25) werden, um Wasserdampf zu kondensieren, und die Gas-Strömungsgeschwindigkeit in der zweiten Stufe ausreichend hoch ist, damit nicht mehr als 70% des verbleibenden Kohlenmonoxids sich der Synthesereaktion in der zweiten Stufe unterzieht.
Verfahren nach Anspruch 1, durchgeführt unter Verwendung einer einzigen Reaktoreinheit (10), wobei jede Stufe der Synthesereaktion in einem Satz von Kanälen (14, 14a) innerhalb der Reaktoreinheit stattfindet und die Gase innerhalb einer Sammelkammer (18) zwischen aufeinander folgenden Stufen gekühlt (25) werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Kohlenmonoxid enthaltender Gasstrom durch eine Vielzahl von ersten Kanälen (14, 14a) parallel in der ersten Stufe und dann durch eine Vielzahl von zweiten Kanälen (14, 14a) parallel in der zweiten Stufe strömt, wobei die Querschnittsfläche der Vielzahl von zweiten Kanälen (14, 14a) geringer ist als diejenige der Vielzahl von ersten Kanälen (14, 14a).
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Anzahl von zweiten Kanälen (14, 14a) geringer ist als die Anzahl der ersten Kanäle (14, 14a).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sowohl in der ersten als auch in der zweiten Stufe die Raumgeschwindigkeit oberhalb 1000/h liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem sowohl in der ersten als auch in der zweiten Stufe die Raumgeschwindigkeit nicht höher als 15000/h ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Wasserdampf 20 Mol-% nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Gas-Strömungsgeschwindigkeit sowohl durch die erste als auch durch die zweite Stufe hindurch ausreichend hoch ist, damit nicht mehr als 65% des Kohlenmonoxids der Synthesereaktion unterliegt.
Verfahren zur Ausführung einer Fischer-Tropsch-Synthese an einem Gas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, unter Verwendung mindestens einer kompakten katalytischen Reaktoreinheit (10), die Kanäle (14, 14a) für die Fischer-Tropsch-Synthese bildet, bei der eine gasdurchlässige Katalysatorstruktur (16) vorhanden ist, wobei die Synthese in mindestens zwei aufeinander folgenden Stufen durchgeführt wird, und zwar bei einer ausreichend hohen Gas-Strömungsgeschwindigkeit, damit Wasserdampf 20 Mol-% nicht überschreitet, und wobei zwischen aufeinander folgenden Stufen die Gase gekühlt (25) werden, um so Wasserdampf zu kondensieren.
Gerät zur Durchführung einer Fischer-Tropsch-Synthese nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mindestens einer kompakten katalytischen Reaktoreinheit (10), die Kanäle (14, 14a) für die Fischer-Tropsch-Synthesereaktion bildet, bei der eine gasdurchlässige Katalysatorstruktur (16), Verbindungsmittel (18), die zwischen aufeinander folgenden Sätzen von Kanälen (14, 14a) kommunizieren, und Kühlungsmittel (25) innerhalb der Verbindungsmittel vorhanden sind, um Wasserdampf zu kondensieren und kondensierte Flüssigkeiten aus der Gasströmung abzuführen.
Gerät nach Anspruch 10, bei dem die aufeinander folgenden Sätze von Kanälen (14, 14a) in der gleichen Reaktoreinheit (10) vorhanden sind und die Verbindungsmittel (18) eine Sammelkammer ist.
Gerät nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Querschnittsfläche der Strömungskanäle (14, 14a), welche die Strömung aus den Verbindungsmitteln (18) heraus führen, geringer ist als die Querschnittsfläche der Strömungskanäle (14, 14a), welche die Strömung in die Verbindungsmittel (18) hinein führen.
Gerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Anzahl von Strömungskanälen (14, 14a), welche die Strömung aus den Verbindungsmittels (18) heraus führen, geringer ist als die Anzahl von Strömungskanälen (14, 14a), welche die Strömung in die Verbindungsmittel (18) hinein führen.
Gerät nach einem der Ansprüche 10 bis 13, das außerdem Mittel (14b) aufweist, die sicherstellen, daß die Temperatur in den Synthesekanälen (14, 14a) 210°C nicht überschreitet.