WO2016206782A1 - Reaktor und verfahren zur autothermalreformierung - Google Patents

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    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus

Definitions

  • the invention relates to a reactor for carrying out a reforming method with a first combustion chamber and a first catalyst bed in fluid communication therewith and a first feed device for introducing
  • Hydrocarbons and oxygen in the first combustion chamber Hydrocarbons and oxygen in the first combustion chamber.
  • the invention relates to a method for operating a reactor according to the invention.
  • Reactors and processes of the generic type are used for large-scale production of synthesis gases by means of autothermal reforming.
  • a preheated hydrocarbon-containing fuel and an oxygen-containing oxidant via a process burner in the combustion chamber of the reactor referred to below as the ATR reactor are introduced to subsequently at temperatures between 900 and 1600 ° C and pressures up to 150 bar in a
  • Catalyst bed to be implemented by reforming and water gas shift in a synthesis gas.
  • the heat required for this purpose is generated in the combustion chamber of the reactor by oxidation reactions, to which oxygen is added in an amount which is not sufficient for complete conversion of the hydrocarbons. For example, if methane is used as the fuel, the following oxidation reactions take place:
  • an ATR reactor consists of a refractory lined, substantially cylindrical, vertical axis reactor vessel which tapers upwardly. At the highest point of the reactor, the process burner firing vertically downwards into the combustion chamber is arranged. Immediately to the combustion chamber, the catalyst bed connects, in which not or incomplete oxidized hydrocarbons are reacted, leaving a largely off
  • Hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and water existing synthesis gas can be withdrawn downstream of the catalyst bed from the ATR reactor.
  • a flame is formed which extends beyond the combustion chamber and hits the catalyst bed, where it leads to
  • Object of the present invention is to provide a reactor of the type described above and a method for its operation, by which the disadvantages of the prior art are overcome.
  • the object is achieved on the part of the reactor according to the invention in that it comprises at least one arranged downstream of the first catalyst bed and in fluid communication therewith second combustion chamber with a second supply means and a downstream of the second combustion chamber arranged and in fluid communication with this second catalyst bed, wherein Oxygen can be introduced into the second combustion chamber via the second feed device.
  • the first catalyst bed of the reactor is designed such that only a partial conversion of the hydrocarbons flowing in from the first combustion chamber can take place therein.
  • the gas entering the second combustion chamber from the first catalyst bed therefore still contains hydrocarbons which can react with the oxygen introduced via the second supply means to release heat and to raise the temperature of the gas cooled by the reactions taking place in the first catalyst bed before entering the gas phase second catalyst bed enters.
  • Embodiment of the reactor according to the invention that it comprises more than two serially arranged catalyst beds, of which in each case two via a, a feed device for the introduction of oxygen having combustion chamber in
  • the reactor comprises three or four catalyst beds so arranged.
  • the reforming of the feedable hydrocarbons takes place in successive steps, during which the
  • the catalyst beds are therefore designed with different inflow surfaces whose sizes in
  • the reactor can be designed with a vertical axis, wherein the
  • Catalyst beds are arranged along the axis and separated from the combustion chambers by boundary planes whose surface normal parallel to the vertical axis.
  • a preferred embodiment of the reactor according to the invention provides that it comprises a substantially cylindrical container in which the
  • Catalyst beds are arranged along the cylinder axis and separated from the immediately adjacent combustion chambers by parallel boundary planes whose surface normal are perpendicular to the cylinder axis.
  • the cylinder axis is horizontal, with the surface normals of the boundary planes being vertically aligned.
  • the catalyst beds are formed across the surface normals of the boundary planes and the cylinder axis by the refractory material
  • a gas-impermeable also consisting of a refractory material partition whose surface normal is oriented parallel to the cylinder axis.
  • the catalyst beds are arranged symmetrically to the cylinder axis, so that between the cylinder inside and the
  • the invention relates to a reforming method, wherein from a
  • Hydrocarbon containing insert in a first combustion chamber a partially oxidized gas mixture is generated, which is subsequently introduced into a first catalyst bed to be converted by reforming and water gas shift in a first reformed gas mixture.
  • the stated object is achieved in that the first reformed gas mixture in a second combustion chamber is further oxidized in order to obtain a second partially oxidized gas mixture, which is subsequently introduced into a second catalyst bed, by reforming and water gas shift into a second reformed gas mixture to be implemented.
  • the partially oxidized gas mixture is introduced at a temperature in the first catalyst bed, which is significantly lower than in the prior art.
  • the reaction in the first catalyst bed is incomplete under these conditions, so that present in the second reformed gas mixture hydrocarbons, which can be oxidized in the second combustion chamber and / or implemented in the second catalyst bed by reforming and water gas shift.
  • the process conditions may be chosen so that the hydrocarbons in use in the two combustion chambers and two catalyst beds are almost completely equilibrated to hydrogen, carbon monoxide,
  • Carbon dioxide and water are reacted so that the second reformed gas contains substantially no hydrocarbons and has a composition as it is known for synthesis gas.
  • Reforming perform with respect to the prior art reduced temperatures.
  • the gas flows are significantly lower
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a particularly preferred variant of the reactor according to the invention with a horizontal axis.
  • the reactor R comprises a pressure-resistant, substantially cylindrical steel jacket S, which is lined in its interior with a refractory insulating layer I.
  • a refractory insulating layer I along the cylinder axis A are four catalyst beds K1 to K4 of the same thickness and
  • the catalyst beds K1 to K4 extend to the insulating layer I, while their height is only about half of the inner diameter of the reactor.
  • the empty spaces above and below the catalyst beds K1 to K4 are structured by refractory and gas-impermeable partitions W1 to W3, so that combustion chambers B1 to B4 are formed and the catalyst beds K1 to K4 are separated from one another.
  • a hydrocarbon-containing insert 1 which is, for example, is natural gas, and an oxidizing agent 2 are introduced and reacted.
  • the introduction here preferably takes place parallel to the longitudinal axis A of the reactor R, so that the hot reaction gases for introduction into the catalyst bed K1 must be deflected by approximately 90 °, wherein they lose a major part of their momentum.
  • oxygen is introduced into the first combustion chamber B1 in an amount which is only sufficient to oxidize part of the hydrocarbons contained in the feed 1 and to produce a first partially oxidized gas mixture 3 having a temperature of about 1200 ° C. enters the first catalyst bed K1.
  • Temperature of about 800 - 1000 ° C can be introduced into the combustion chamber B2.
  • an oxidizing agent 5 is fed into the combustion chamber B2 in an amount which is insufficient to completely oxidize the hydrocarbons, so that a second partially oxidized gas mixture 6 is generated, which with a temperature of about 1200 ° C. enters the second catalyst bed K2.
  • the fourth partially oxidized gas mixture 12 is introduced at a temperature of about 1200 ° C in the fourth catalyst bed K4, where all hydrocarbons are converted by reforming and water gas shift while consuming heat to hydrogen and carbon monoxide, so that a largely hydrocarbon-free synthesis gas 13th can be withdrawn from the reactor R at a temperature of about 1000 - 1050 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor (R) zur Durchführung eines Reformierungsverfahrens sowie ein Reformierungsverfahren, wobei der Reaktor (R) einen ersten Brennraum (B1) und ein mit diesem in Fluidverbindung stehendes erstes Katalysatorbett (K1) sowie eine erste Zuführeinrichtung (Z1) zur Einleitung von Kohlenwasserstoffen (1) und Sauerstoff (2) in den ersten Brennraum (B1) aufweist. Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass der Reaktor (R) wenigstens einen stromabwärts des ersten Katalysatorbetts (K1) angeordneten und in Fluidverbindung mit diesem stehenden zweiten Brennraum (B2) mit einer zweiten Zuführeinrichtung (Z2) sowie ein stromabwärts des zweiten Brennraums (B2) angeordnetes und in Fluidverbindung mit diesem stehendes zweites Katalysatorbett (K2) umfasst, wobei über die zweite Zuführeinrichtung (Z2) Sauerstoff (5) in den zweiten Brennraum (B2) einleitbar ist.

Description

Beschreibung
Reaktor und Verfahren zur Autothermalreformierung
Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung eines Reformierungsverfahrens mit einem ersten Brennraum und einem mit diesem in Fluidverbindung stehenden ersten Katalysatorbett sowie einer ersten Zuführeinrichtung zur Einleitung von
Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff in den ersten Brennraum.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Reaktors.
Reaktoren und Verfahren der gattungsgemäßen Art werden zur großtechnischen Herstellung von Synthesegasen mittels Autothermalreformierung eingesetzt. Dabei werden ein vorgewärmter kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff sowie ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel über einen Prozessbrenner in den Brennraum des im Folgenden als ATR-Reaktor bezeichneten Reaktors eingeleitet, um anschließend bei Temperaturen zwischen 900 und 1600°C und Drücken bis zu 150 bar in einem
Katalysatorbett durch Reformierung und Wassergas-Shift in ein Syntheserohgas umgesetzt zu werden. Die hierfür erforderliche Wärme wird im Brennraum des Reaktors durch Oxidationsreaktionen erzeugt, wozu Sauerstoff in einer Menge zugeführt wird, die für eine vollständige Umsetzung der Kohlenwasserstoffe nicht ausreichend ist. Wird beispielsweise Methan als Brennstoff verwendet, laufen die folgenden Oxidationsreaktionen ab:
CH4 + 202 => C02 + 2H20
2CH4 + 02 => 2CO + 4H2
Gewöhnlich besteht ein ATR-Reaktor aus einem mit einer feuerfesten Isolierung ausgekleideten, im Wesentlichen zylindrischen Reaktorgefäß mit senkrechter Achse, das sich nach oben verjüngt. Am höchsten Punkt des Reaktors ist der senkrecht nach unten in den Brennraum feuernde Prozessbrenner angeordnet. Unmittelbar an den Brennraum schließt sich das Katalysatorbett an, in dem nicht oder unvollständig oxidierte Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden, so dass ein weitgehend aus
Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser bestehendes Syntheserohgas stromabwärts des Katalysatorbetts aus dem ATR-Reaktor abgezogen werden kann. Insbesondere während des Zündens des Prozessbrenners, das bei einem geringeren als dem Betriebsdruck des ATR-Reaktors erfolgt, wird ein Flamme gebildet, die über den Brennraum hinausreicht und auf das Katalysatorbett trifft, wo sie zum
Anschmelzen von Katalysatormaterial und zum Verkleben des Betts führen kann. Aufgrund der insgesamt endotherm im Katalysatorbett ablaufenden Reaktionen nimmt die Gastemperatur innerhalb des Katalysatorbetts in Strömungsrichtung um 200-300°C ab. Um einen ausreichend hohen Umsatz der Kohlenwasserstoffe zu erreichen, darf diese Temperatur einen Mindestwert, der im Falle von Methan bei ca. 1050°C liegt, nicht unterschreiten, was bedeutet, dass das Gas mit wenigstens 1350°C aus dem Brennraum in das Katalysatorbett eintreten muss. Bei dieser Temperatur verdampfen jedoch im Katalysatormaterial enthaltene Stoffe, wie etwa Nickel, und lagern sich in kälteren Bereichen des Bettes wieder ab, wodurch sich mit der Zeit der Druckverlust des Betts erhöht und die Aktivität des Katalysators vermindert. Um den Druckverlust in wirtschaftlichen Grenzen zu halten, ist die
Strömungsgeschwindigkeit im Katalysatorbett auf relativ geringe Werte begrenzt, was eine große Anströmfläche des Katalysatorbetts sowie ein großes Bauvolumen des ATR-Reaktors mit entsprechend hohen Investitionskosten zur Folge hat. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Reaktor der eingangs beschriebenen Art sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
Die gestellte Aufgabe wird seitens des Reaktors erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass er wenigstens einen stromabwärts des ersten Katalysatorbetts angeordneten und in Fluidverbindung mit diesem stehenden zweiten Brennraum mit einer zweiten Zuführeinrichtung sowie ein stromabwärts des zweiten Brennraums angeordnetes und in Fluidverbindung mit diesem stehendes zweites Katalysatorbett umfasst, wobei über die zweite Zuführeinrichtung Sauerstoff in den zweiten Brennraum einleitbar ist. Das erste Katalysatorbett des Reaktors ist derart ausgelegt, dass darin lediglich eine Teilumsetzung der aus dem ersten Brennraum zuströmenden Kohlenwasserstoffe stattfinden kann. Das aus dem ersten Katalysatorbett in den zweiten Brennraum eintretende Gas enthält daher noch Kohlenwasserstoffe, die mit dem über die zweite Zuführeinrichtung eingeleiteten Sauerstoff reagieren können, um Wärme freizusetzen und die Temperatur des durch die im ersten Katalysatorbett stattfindenden Reaktionen abgekühlten Gases anzuheben, bevor es in das zweite Katalysatorbett eintritt.
Hierdurch ist es möglich, die Temperatur in den Katalysatorbetten stets oberhalb der für einen ausreichend hohen Umsatz erforderlichen Mindesttemperatur zu halten, ohne die Gaseintrittstemperaturen auf werte anzuheben, bei denen beispielsweise Nickel aus dem Katalysatormaterial in gleichem Maß verdampft und zu Verlegungen in den Katalysatorbetten führt, wie im Stand der Technik. Hierdurch erhöht sich zum einen die Lebensdauer des eingesetzten Katalysators und zum anderen verringert sich der Druckverlust über die Katalysatorbetten, was insgesamt zu einer deutlichen
Reduzierung der benötigten Katalysatormengen führt. Darüber hinaus kann das Bauvolumen des Reaktors deutlich verkleinert werden.
Um die Gaseintrittstemperaturen weiter abzusenken, sieht eine zweckmäßige
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors vor, dass er mehr als zwei seriell angeordnete Katalysatorbetten umfasst, von denen jeweils zwei über einen, eine Zuführeinrichtung zur Einleitung von Sauerstoff aufweisenden Brennraum in
Fluidverbindung miteinander stehen. Vorzugsweise umfasst der Reaktor drei oder vier derart angeordnete Katalysatorbetten. In einem erfindungsgemäßen Reaktor erfolgt die Reformierung der zuführbaren Kohlenwasserstoffe in aufeinanderfolgenden Schritten, während derer sich die
Gasmenge jeweils vergrößert. Zweckmäßigerweise werden die Katalysatorbetten daher mit unterschiedlichen Anströmflächen ausgeführt, deren Größen in
Strömungsrichtung zunehmen.
Der Reaktor kann mit einer senkrechten Achse ausgeführt sein, wobei die
Katalysatorbetten entlang der Achse angeordnet und von den Brennräumen durch Begrenzungsebenen getrennt sind, deren Flächennormale parallel zu der senkrechten Achse verlaufen. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Reaktors sieht jedoch vor, dass er einen im Wesentlichen zylindrischen Behälter umfasst, in dem die
Katalysatorbetten entlang der Zylinderachse angeordnet und von den unmittelbar angrenzenden Brennräumen durch parallele Begrenzungsebenen getrennt sind, deren Flächennormale senkrecht auf der Zylinderachse stehen. Vorzugsweise verläuft die Zylinderachse horizontal, wobei die Flächennormale der Begrenzungsebenen vertikal ausgerichtet sind.
Die Katalysatorbetten werden quer zu den Flächennormalen der Begrenzungsebenen und der Zylinderachse durch die aus einem feuerfesten Material gebildete
Zylinderinnenseite begrenzt, während zwei unmittelbar benachbarte Katalysatorbetten zweckmäßigerweise durch eine gasundurchlässige, ebenfalls aus einen feuerfesten Material bestehende Trennwand getrennt werden, deren Flächennormale parallel zur Zylinderachse orientiert ist. Vorzugsweise sind die Katalysatorbetten symmetrisch zur Zylinderachse angeordnet, so dass zwischen Zylinderinnenseite und den
Begrenzungsflächen jeweils gleich große Brennraumquerschnitte entstehen.
Sinnvollerweise ist zumindest die erste Zuführeinrichtung derart angeordnet, dass sich eine Flamme weitgehend parallel zur Zylinderachse ausbildet. Die heißen Gase aus der Flamme werden zu einer starken Richtungsänderung gezwungen, um in das
Katalysatorbett eindringen zu können. Mit der Richtungsänderung ist ein weitgehender Abbau des Flammenimpulses verbunden, was zu einer Homogenisierung des
Geschwindigkeitsprofils der in das Katalysatorbett eintretenden Gasströmung führt. Dies hat zur Folge, dass das Potential des Katalysators besser genutzt und die Katalysatormenge weiter reduziert werden kann. Darüber hinaus kommt es auch während einer Zündung bei Umgebungsdruck nicht zu einer Schädigung des
Katalysators, da auch eine sehr lange Flamme das Katalysatorbett nicht direkt treffen und lokal überhitzen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Reformierungsverfahren, bei dem aus einem
Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatz in einem ersten Brennraum ein partiell oxidiertes Gasgemisch erzeugt wird, das nachfolgend in ein erstes Katalysatorbett eingeleitet wird, um durch Reformierung und Wassergas-Shift in ein erstes reformiertes Gasgemisch umgesetzt zu werden. Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste reformierte Gasgemisch in einem zweiten Brennraum weiter oxidiert wird, um ein zweites partiell oxidiertes Gasgemisch zu erhalten, das nachfolgend in ein zweites Katalysatorbett eingeleitet wird, um durch Reformierung und Wassergas-Shift in ein zweites reformiertes Gasgemisch umgesetzt zu werden.
Das partiell oxidierte Gasgemisch wird hierbei mit einer Temperatur in das erste Katalysatorbett eingeleitet, die deutlich niedriger ist als im Stand der Technik. Die Umsetzung im ersten Katalysatorbett ist unter diesen Bedingungen unvollständig, so dass in dem zweiten reformierten Gasgemisch Kohlenwasserstoffe vorliegen, die im zweiten Brennraum oxidiert und/oder im zweiten Katalysatorbett durch Reformierung und Wassergas-Shift umgesetzt werden können.
Die Prozessbedingungen können so gewählt werden, dass die im Einsatz enthaltenen Kohlenwasserstoffe in den zwei Brennräumen und zwei Katalysatorbetten nahezu vollständig bis zur Gleichgewichtseinstellung zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid und Wasser umgesetzt werden, so dass das zweite reformierte Gas im Wesentlichen keine Kohlenwasserstoffe enthält und eine Zusammensetzung aufweist, wie sie für Syntheserohgase bekannt ist.
Durch die auf mehrere Schritte verteilte Wärmezuführung ist es möglich, die
Reformierung mit gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Temperaturen auszuführen. Insbesondere werden die Gasströme mit deutlich niedrigeren
Temperaturen in die Katalysatorbetten eingeleitet, wodurch sich die Verdampfung von Bestandteilen des Katalysators erheblich verringert. Dadurch erhöht sich die
Lebensdauer des Katalysators, während der Druckverlust über die Katalysatorbetten sinkt, so dass der Prozess bei gleichem Umsatz mit einer kleineren Katalysatormenge durchgeführt werden kann, als dies bisher möglich ist. Um die Prozesstemperaturen - insbesondere die Temperaturen, mit denen die
Gasströme in die Katalysatorbetten eintreten - weiter zu senken, wird vorgeschlagen, die partielle Oxidation und damit die Wärmezufuhr auf mehr als zwei, vorzugsweise drei oder vier Schritte aufzuteilen, wobei das bei jedem Schritt erzeugte partiell oxidierte Gasgemisch nachfolgend durch Reformierung und Wassergas-Shift behandelt wird. Hierzu ist es erforderlich, dass in dem einem Aufheizschritt vorangehenden Reformierungsschritt ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes
reformiertes Gasgemisch erzeugt wird.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Reaktors mit horizontaler Achse. Der Reaktor R umfasst einen druckfesten, im Wesentlichen zylindrischen Stahlmantel S, der in seinem Inneren mit einer feuerfesten Isolierschicht I ausgekleidet ist. Entlang der Zylinderachse A sind vier Katalysatorbetten K1 bis K4 gleicher Dicke und
Orientierung angeordnet, die oben und unten jeweils durch parallele Ebenen E1 und E2 begrenzt werden, deren Flächennormale vertikal verlaufen. Senkrecht zu den Flächennormalen erstrecken sich die Katalysatorbetten K1 bis K4 bis zur Isolierschicht I, während ihre Höhe lediglich etwa die Hälfte des Innendurchmessers des Reaktors beträgt. Die Leeräume ober- und unterhalb der Katalysatorbetten K1 bis K4 werden durch feuerfeste und gasundurchlässige Trennwände W1 bis W3 gegliedert, so dass Brennräume B1 bis B4 entstehen und die Katalysatorbetten K1 bis K4 voneinander getrennt werden.
Über die im ersten Brennraum B1 angeordnete erste Zuführeinrichtung Z1 werden ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz 1 , bei dem es sich beispielsweise um Erdgas handelt, sowie ein Oxidationsmittel 2 eingeleitet und zur Reaktion gebracht. Die Einleitung erfolgt hierbei bevorzugt parallel zur Längssachse A des Reaktors R, so dass die heißen Reaktionsgase zur Einleitung in das Katalysatorbett K1 um ca. 90° umgelenkt werden müssen, wobei sie einen Großteil ihres Impulses verlieren. Über das Oxidationsmittel 2 gelangt Sauerstoff in einer Menge in den ersten Brennraum B1 , die lediglich ausreicht, um einen Teil der im Einsatz 1 enthaltenen Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und ein erstes partiell oxidiertes Gasgemisch 3 zu erzeugen, das mit einer Temperatur von ca. 1200°C in das erste Katalysatorbett K1 eintritt.
Im Katalysatorbett K1 wird ein Teil der im ersten partiell oxidierten Gasgemisch 3 enthaltenen Kohlenwasserstoffe durch Reformierung und Wassergas-Shift unter Verbrauch von Wärme zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt, so dass ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes erstes reformiertes Gasgemisch 4 mit einer
Temperatur von ca. 800 - 1000°C in den Brennraum B2 eingeleitet werden kann. Über die zweite Zuführeinrichtung Z2 wird ein Oxidationsmittel 5 in den Brennraum B2 in einer Menge geführt, die nicht ausreicht, um die Kohlenwasserstoffe vollständig zu oxidieren, so dass ein zweites partiell oxidiertes Gasgemisch 6 erzeugt wird, das mit einer Temperatur von ca. 1200°C in das zweite Katalysatorbett K2 eintritt.
In den Katalysatorbetten K2 und K3 und den Brennräumen B3 und B4 werden analoge Verfahrensschritte durchgeführt, wobei ein zweites 7 und ein drittes reformiertes Gasgemisch 8 erzeugt werden, aus denen nach Zuführung der Oxidationsmittel 9 und 10 über die Zuführeinrichtungen Z3 und Z4 das dritte 1 1 und das vierte partiell oxidierte Gasgemisch 12 entstehen.
Das vierte partiell oxidierte Gasgemisch 12 wird mit einer Temperatur von ca. 1200°C in das vierte Katalysatorbett K4 eingeleitet, wo sämtliche Kohlenwasserstoffe durch Reformierung und Wassergas-Shift unter Verbrauch von Wärme zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgesetzt werden, so dass ein weitgehend kohlenwasserstofffreies Syntheserohgas 13 mit einer Temperatur von ca. 1000 - 1050°C aus dem Reaktor R abgezogen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Reaktor (R) zur Durchführung eines Reformierungsverfahrens mit einem ersten Brennraum (B1) und einem mit diesem in Fluidverbindung stehenden ersten Katalysatorbett (K1) sowie einer ersten Zuführeinrichtung (Z1) zur Einleitung von Kohlenwasserstoffen (1) und Sauerstoff (2) in den ersten Brennraum (B1), dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen stromabwärts des ersten Katalysatorbetts (K1) angeordneten und in Fluidverbindung mit diesem stehenden zweiten Brennraum (B2) mit einer zweiten Zuführeinrichtung (Z2) sowie ein stromabwärts des zweiten Brennraums (B2) angeordnetes und in Fluidverbindung mit diesem stehendes zweites Katalysatorbett (K2) umfasst, wobei über die zweite Zuführeinrichtung (Z2) Sauerstoff (5) in den zweiten Brennraum (B2) einleitbar ist.
2. Reaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er mehr als zwei und vorzugsweise drei oder vier seriell angeordnete Katalysatorbetten (K1 , K2, K3, K4) umfasst, von denen jeweils zwei über einen, eine Zuführeinrichtung (Z2, Z3, Z4) zur Einleitung von Sauerstoff aufweisenden Brennraum (B2, B3, B4) in
Fluidverbindung miteinander stehen.
3. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmflächen der Katalysatorbetten (K1 , K2, K3, K4) in Strömungsrichtung zunehmen.
4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er einen im Wesentlichen zylindrischen Behälter (S) umfasst, in dem die
Katalysatorbetten (K1 , K2, K3, K4) entlang der Zylinderachse (A) angeordnet und von den unmittelbar angrenzenden Brennräumen durch parallele
Begrenzungsebenen (E1 , E2) getrennt sind, deren Flächennormale senkrecht auf der Zylinderachse (A) stehen.
5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse (A) horizontal verläuft, wobei die Flächennormale der Begrenzungsebenen (E1 , E2) vertikal ausgerichtet sind.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuführeinrichtung (Z1) derart angeordnet ist, dass sich eine Flamme weitgehend parallel zur Zylinderachse (A) ausbilden kann. Reformierungsverfahren, bei dem aus einem Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatz (1) in einem ersten Brennraum (B1) ein partiell oxidiertes Gasgemisch (3) erzeugt wird, das nachfolgend in ein erstes Katalysatorbett (K1) eingeleitet wird, um durch Reformierung und Wassergas-Shift in ein erstes reformiertes
Gasgemisch (4) umgesetzt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass das erste reformierte Gasgemisch (4) in einem zweiten Brennraum (B2) weiter oxidiert wird, um ein zweites partiell oxidiertes Gasgemisch (6) zu erhalten, das nachfolgend in ein zweites Katalysatorbett (K2) eingeleitet wird, um durch Reformierung und Wassergas-Shift in ein zweites reformiertes Gasgemisch (7) umgesetzt zu werden.
Reformierungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Oxidation auf mehr als zwei und vorzugsweise drei oder vier Schritte aufgeteilt wird, wobei das bei jedem Schritt erzeugte partiell oxidierte Gasgemisch nachfolgend durch Reformierung und Wassergas-Shift behandelt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6132689A (en) * 1998-09-22 2000-10-17 General Motors Corporation Multi-stage, isothermal CO preferential oxidation reactor
US20030200699A1 (en) * 2002-04-29 2003-10-30 Robb Gary M. Staged air autothermal reformer for improved startup performance
EP1498388A1 (de) * 2003-07-14 2005-01-19 Toyo Engineering Corporation Reformer
DE60128159T2 (de) * 2001-03-30 2007-08-16 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Vorrichtung zur reformierung von Brennstoff

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6132689A (en) * 1998-09-22 2000-10-17 General Motors Corporation Multi-stage, isothermal CO preferential oxidation reactor
DE60128159T2 (de) * 2001-03-30 2007-08-16 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Vorrichtung zur reformierung von Brennstoff
US20030200699A1 (en) * 2002-04-29 2003-10-30 Robb Gary M. Staged air autothermal reformer for improved startup performance
EP1498388A1 (de) * 2003-07-14 2005-01-19 Toyo Engineering Corporation Reformer

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