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Verfahren zur Umsetzung von Kohlenoxyd mittels Wasserdampfs zu Kohlendioxyd
und Wasserstoff Bei der Umsetzung von Kohlenoxyd oder kohlenoxydhaltigem Gas mit
Wasserdampf zu Kohlendioxyd und Wasserstoff ist man bestrebt, die aus der exothermen
Reaktion anfallende Abwärme weitestgehend zur Erzeugung des für den Prozeß erforderlichen
Wasserdampfs auszunutzen, mit dem Zwecke, die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen
zu erhöhen. Der gesamte Dampfbedarf für die Kohlenoxydumwandlung setzt sich bekanntlich
zusammen aus dem für die chemische Umwandlung des Kohlenoxyds in Kohlendioxyd und
Wasserstoff erforderlichen Dampf und dem Gleichgewichtsdampf, der von dem bekannten,
durch die Kontakttemperatur bedingten k-Wert abhängt und der um so kleiner ist,
je niedriger die Kontakttemperatur ist. Letztere ist jedoch von der Güte des Kontaktes
abhängig, d. h. bei welcher Temperatur der Kontakt noch einen wirtschaftlichen Kohlenoxydumsatz
ergibt.
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Es sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, die das Ziel verfolgen,
das zu konvertierende Gas (im folgenden Frischgas genannt) vor dem Eintritt in den
Kohlenoxydkonverter vorzuwärmen und möglichst hoch mit Wasserdampf zu sättigen.
Bei dieser Methode erfolgt die Vorwärmung und Sättigung meist durch Berieselung
des Frischgases mit heißem Wasser, das aus dem Kühler abfließt. Ein weiterer Teil
der Reaktionsabwärme wird benutzt, das gesättigte Frischgas auf die für die Konvertierung
erforderliche Eintrittstemperatur von etwa 40o° zu erhitzen.
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Da im Kohlenoxydkonverter bei Verwendung nur einer Stufe infolge der
stark exothermen Reaktion eine unzulässige Erhöhung der Kontakttemperatur eintreten
würde, muß eine Zwischenkühlung des Gases erfolgen. Die Kühlung des teilkonvertierten
Gases geschieht entweder zwischen den einzelnen Kontaktstufen im Ofen selbst, und
zwar durch direkte Verdampfung von Wasser oder durch indirekten Wärmeaustausch außerhalb
des Ofens. Es ist auch bekannt, daß die bei der letzterwähnten Methode
frei
werdende Reaktionsabwärme benutzt wird, um das in einem Sättiger gesättigte und
mit Frischdampf beladene Frischgas durch die in der zweiten Kontaktstufe frei werdende
Reaktionswärme vorzuwärmen, in das Gemisch eingespritztes Wasser zu verdampfen und
das Gas-Dampf-Gemisch anschließend durch die Reaktionswärme der ersten Stufe auf
die Anspringtemperatur der Kontaktschicht in der ersten Stufe vorzuwärmen. Mit diesem
Verfahren ist aber die größtmögliche Sättigung des Frischgases nicht erreichbar,
es sind immerhin noch größere 'Mengen an Frischdampf zur Vollkonvertierung des Gases
erforderlich. Das neue Verfahren zeigt nun einen Weg, die Sättigung des Frischgases
noch weiter zu steigern und damit den erforderlichen Frischdampfzusatz zu vermindern;
damit steigt die Wirtschaftlichkeit bei Anwendung dieses Verfahrens. Die bisher
gebräuchliche Art der Kohlenoxydkonvertierung sei anschließend gemäß Abb. i an Hand
der Zeichnung erläutert.
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Der Kontaktofen i besteht aus zwei übereinanderliegenden, vollkommen
voneinander getrennten und mit dem Kontaktmaterial gefüllten Kammern. Die durch
die teilweise Umsetzung in der oberen Kammer erzeugte Reaktionswärme wird in dem
Wärmeaustauscher 2 an das im Gegenstrom ankommende, vorerwärmte Frischgas-Dampf-Gemisch
abgeführt und das letztere auf die für die Umsetzung erforderliche Temperatur gebracht.
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Die durch die Umsetzung in der unteren Kontaktofenkammer entstehende
Reaktionswärme wird ebenfalls durch das Konvertgas an das Frischgas im Wärmeaustauscher
3 abgegeben und dadurch das Frischgas zunächst vorgewärmt.
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Beim Eingang in den Wärmeaustauscher 3 ist z. B. das im Sättiger 4
mit heißem Wasser berieselte Frischgas bereits auf etwa 72° vorgewärmt und mit Wasserdampf
gesättigt. Außerdem erfolgt vor dem Wärmeaustauscher 3 die Zugabe des weiteren für
die Umsetzung erforderlichen Dampfs, und zwar zum Teil als Frischdampf und zum Teil
als Kondensat, das im Wärmeaustauscher 3 verdampft.
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Die Dampf- und Kondensatzugabe erfolgt an dieser Stelle, da dadurch
die Reaktionswärme im Wärmeaustauscher 3 besser ausgenutzt wird, während z. B. bei
Zugabe von Frischdampf oder Kondensat zum Frischgas zwischen Wärmeaustauscher 3
und 2 diese Reaktionswärme wegen der damit zusammenhängenden höheren Ausgangstemperatur
des im Wärmeaustauscher 3 gekühlten Konvertgases weniger gut ausgenutzt wird.
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Das aus dem Wärmeaustauscher 3 austretende Konvertgas, das beispielsweise
eine Temperatur von 15o° hat, gelangt in den Kühler 5 und wird mit dem aus dem Sättiger
4 abfließenden Umlaufwasser soweit wie möglich gekühlt. Das aus dem Kühler abfließende
heiße Wasser dient zur Aufsättigung des Frischgases im Sättiger 4.
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Zur restlichen Kühlung des Konvertgases dient der mit Kaltwasser berieselte
Kühler 6.
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Bei einer Konvertierung von Wassergas mit folgender Analyse: 5o 0/0
H2, 40 0/0
CO, 6 0/0
CO, und 4
o f, N, und einer Umsetzung
des Kohlenoxyds auf 3, 50/0-Gehalt im Konvertgas sind die Verbrauchszahlen bei den
geschilderten Verhältnissen und bei einer Temperatur des vollkonvertierten Gases
von 41o° sowie dem entsprechenden k-Wert von 0,o95 folgende:
| Gesamter Dampf- |
| bedarf . . . . . . . . . 840 kg je iooo Nm3 Wassergas |
| davon: |
| durch Sättigung |
| (72°) ........... 315 - - 1000 - - |
| durch Einspritz- |
| kondensat ...... 174 - - 1000 - - |
| durch Frisch- |
| dampf ......... 351 - - 1000 - - |
'Bei dieser Betriebsweise muß das Kondensat aus einer fremden Quelle zugeführt «-erden.
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Bei mehreren in Betrieb befindlichen Konvertierungsanlagen hat sich
gezeigt, daß bei Einführung des gesättigten Frischgases und gleichzeitiger Dampfzugabe
die Rohre des Wärmeaustauschers an der Einführungsstelle stark korrodierten. Untersuchungen
haben ergeben, daß dieser Fall überall dort eintrat, wo das Gas-Dampf-Gemisch Wassertröpfchen
enthielt. Das Aufprallen der Wassertröpfchen auf die Austauscherrohre und das Verdampfen
derselben bei gleichzeitiger Anwesenheit von Sauerstoffspuren im Frischgas verursachten
diese Korrosionen.
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Bei der in Abb. i hergestellten Anlage ist diese Gefahr groß, da Dampf
und Kondensat zusammen mit dem gesättigten Frischgas dem Wärmeaustauscher 3 zugeführt
werden.
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Es läßt sich daher nicht vermeiden, den Wärmeaustauscher 3 in diesem
Falle aus legiertem Stahl herzustellen. Hierdurch sind hohe Anlagekosten bedingt.
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Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beseitigen und eine bessere
Ausnutzung der Reaktionswärme und damit eine Ersparnis an Frischdampf zu erzielen.
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Die Erfindung ist in Abb. 2 dargestellt.
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Die einzelnen Apparate für dieses Verfahren sind: der wiederum in
zwei getrennte Kammern unterteilte Kontaktofen i, der Wärmeaustauscher 2, der Wärmeaustauscher
3, der Verdampfer 3a, der Sättiger 4, der Kühler 5, der Nachkühler 6 und das Eisenspänefilter
7, wobei die Apparate im wesentlichen die gleiche Funktion haben, wie für Abb. i
erläutert.
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Lediglich der Wärmeaustauscher 3 in Abb. i ist in Abb.2 erfindungsgemäß
in einen Wärmeaustauscher 3 und einen Verdampfer 311 aufgeteilt, Im Wärmeaustauscher
3 wird das im Sättiger 4 auf etwa 7o° gesättigte Frischgas zugleich mit dem vor
dem Wärmeaustauscher 3 zugeführten, trockenen Wasserdampf erhitzt.
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Im Verdampfer 3" wird das im ebenfalls erfindungsgemäß angeordneten
Schlußkühler 6 gewonnene Kondensatverdampft. ZwecksVermeidungvoneventueller Korrosivität
durch Sauerstoff wird dieses Kondensat vor Einführung in den Verdampfer über ein
Eisenspänefilter 7 geleitet. Der im Verdampfer 3a gewonnene Dampf wird dem im Wärmeaustauscher
3 erhitzten Frischgas-Dampf-Gemisch beigemischt. Die bessere Ausnutzung der Reaktionswärme
wird erzielt,
indem das aus dem Kontaktofen i mit q.10° austretende
Konvertgas seine Wärme weitestgehend an das Frischgas in dem Wärmeaustauscher 3
und an das Kondensat in dem Verdampfer 3a. abgibt. Es wurde gefunden, daß das Optimum
erreicht wird, wenn das Konvertgas in dem Wärmeaustauscher 3 und in dem Verdampfer
3° bis auf seinen Taupunkt, der bei etwa 7q.° liegt, abgekühlt wird. In der Praxis
wird man zur Vermeidung von Kondensatbildung in den Rohrleitungen nicht ganz so
weit kühlen, sondern nur bis auf etwa 9o°.
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Unter Zugrundelegung dieser Temperatur sind die nachfolgenden Resultate
errechnet. Die größere verfügbare Wärmemenge gestattet die Verdampfung einer größeren
Kondensatmenge, wodurch eine Ersparnis an Fremddampf erzielt wird.
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Die im indirekten Nachkühler 6 anfallende Kondensatmenge entspricht
etwa der im Verdampfer 3a verdampften Kondensatmenge, so daß sich eine Zulieferung
von Kondensat anderer Herkunft erübrigt. Auch hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit
weiter erhöht.
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Eine Gegenüberstellung der Verbrauchszahlen zeigt deutlich die Verbesserung
bei Anwendung des neuen Verfahrens nach Abb.2. Unter gleichen Voraussetzungen ergeben
sich hierbei folgende Werte: Gesamter Dampf-
| bedarf . . . . . . . . . . 840 kg je iooo Nm3 Frischgas |
| davon: |
| durch Sättigung |
| (7o°) ............ 28o - - iooo - - |
| durch rückgewon- |
| nenes und ver- |
| dampftes Konden- |
| sat ............. 241 - - 1000 - - |
| durch Frischdampf 319 - - 1000 - - |
Aus den vorstehenden Zahlen ist ersichtlich, daß der Bedarf an Frischdampf niedriger
und daß demnach das neue Verfahren wirtschaftlicher ist.