APPARATUS FOR OBTAINING A PRODUCE GAS CONTAINING HYDROGEN AND CARBON MONOXIDE

Abstract: 1. Device for the generation of a product gas containing hydrogen and carbon oxides from a feedgas consisting substantially of hydrocarbons, particularly natural gas, to which steam is admixed by a) catalytic endothermic reforming of said feedgas to a product gas in catalyst-filled reaction tubes (4) b) partial combustion of the reformed gas from the reaction tubes (4) by means of oxygen and/or oxygen-bearing gas in a reactor (2) divided by a partition plate (21) into two discrete sections, an upper chamber (3) containing a feedgas inlet ; and a lower chamber (24) with free space (6) beyond, the reactor containing catalyst-filled reaction tubes (4) attached to the partition plate (21) by a gas-tight seal and extending from the chamber (3) into said space (6) characterized in that the wall of the lower chamber and/or the floor of the lower chamber are equipped with jet tubes (28) and permeable, porous ceramic plates (29) directed towards the free space for the ducting of additional reaction agents into said space.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas mit Wasserstoff- und Kohlenoxvde-Gehalten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Produktgas mit Wasserstoff- und Kohlenoxyde Gehalten aus einem Einsatzgas, das im wesentlichen Kohlenwasserstoff enthält, insbesondere aus Erdgas, versetzt mit Wasserdampf. Das Verfahren besteht aus einer katalytischen endothermen Spaltung des Einsatzgases in katalysator-gefüllten Reaktionsrohren zu Spaltgas und aus einer teilweisen Verbrennung des Spaltgases zu Produktgas mittels Sauerstoff und/oder Sauerstoff enthaltendem Gas, wie z. B. Luft. Produktgas der genannten Art dient der Weiterverarbeitung zu Synthesegas, z. B. für die Erzeugung von Methanol oder Ammoniak. Bei der Verfahrensstufe der katalytisch endothermen Spaltung des Einsatzgases ist es erforderlich, die für die Reaktion notwendige Wärmemenge zu erzeugen und über die Reaktionsrohre an das in diesen strömende Einsatzgas zu übertragen. Zu diesem Zweck werden in bekannter Weise die mit Katalysator gefüllten Reaktionsrohre in einer Vielzahl in dem sogenannten Primärreformerofen reihenweise senkrecht angeordnet und über eine Vielzahl von gas- oder ölbefeuerten Brennern in den Ofenwandungen beheizt. Der Primärreformerofen wird heizgasseitig bei Atmosphärendruck betrieben und die Heizgase verlassen den Ofen mit einer Temperatur von etwa 950 OC und gelangen nach weiterem Wärmetausch mit anderen Prozessbzw. Hilfstoffströmen bis auf eine Temperatur von 120 bis 160 OC in den Rauchgaskamin. Bei der nachfolgenden Teilverbrennung, d. h. bei weiterer Reduzierung des CH4-Gehaltes und evtl. Einbringung von Stickstoff für ein Synthesegas zur Erzeugung von Ammoniak ist es erforderlich, Sauerstoff und/oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft dem Spaltgas zuzugeben. Dies geschieht im sogenannten Sekundärreformer. Der Sekundärreformer enthält Einrichtungen zur Zugabe des Sauerstoffs bzw der Luft und eine Katalysatorschicht zur weiteren katalytischen Umsetzung von unerwünschten Gaskomponenten im Spaltgas. Zum Stand der Technik genören auch Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des Dampfreformierverfahrens, die eine indirekte Beheizung der Reaktionsrohre durch unter Druck erzeugte Verbrennungsgase vorsehen, wobei die noch heissen Verbrennungsgase nach Verlassen des Primärreformers in einer Gasturbine entspannt werden, so z. B. nach DAS 17 92 229, DAS 20 55 439. Bei den Verbrennungsgasen handelt es sich um Rauchgase, die nach Entspannung und Abkühlung in die Atmosphäre abgegeben werden und damit mit gewissen Spurenverunreinigungen zur Umweltbelastung beitragen. Weiterhin lässt sich der verwertbare untere Wärmeinhalt der Verbrennungsgase bzw. Rauchgase nur mit einem beträchtlichen Aufwand an kostenintensiver Wärmetauscherfläche wirtschaftlich ausnutzen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrich tung für die Erzeugung von Produktgasen mit Wasserstoff- und Kohlenoxydegehalten zu vereinfachen und umweltfreundlicher zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die katalytische endotherme Spaltung in katalysator-gefüllten Reaktwonsrohren durchgeführt wird mittels Beheizung der Reaktionsrohre durch teilweise Verbrennung des Spaltgases zu Produktgas mittels Sauerstoff undjoder Sauerstoff enthaltendem Gas, wie z. B. Luft. In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Verfahren abzuwandeln gemäss den Kennzeicnen der Verfahrensunteransprüche. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung gemäss den Kennzeichen der Vorrichtungsansprüche. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass im Verfahren zur Erzeugung von Produktgas kein Rauchgas mehr anfällt, damit auch komplizierte Wärmetauscher nicht erforderlich werden und somit sich eine Ersparnis bei den Investitionen ergibt. Darüber hinaus wird eine beträchtliche Wärmeersparnis erzielt, da gegenüber dem konventionellen Verfahren die nicht unwesentliche Rauchgasmenge mit ihrem nicht nutzbaren Wärmeinhalt von niedrigem Temperaturniveau vollständig entfällt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 Ein Fliessbild des erfindungsgemässen Verfahrens mit Erdgas als Einsatzrohstoff zur Verwendung des erzeugten Produkt- gases n einer Methanolsynthese. Eig. 2 Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Eig. 1 Fig. 3 Im Detail den unteren Abschnitt eines Reaktionsrohres. In Eig. 1 tritt das Einsatzprodukt als Erdgas/Dampf-Gemisch bei 1 in den Reaktor 2 ein. In der oberen Kammer 3 wird es auf die mit Katalysator gefüllten Reaktlonsrohre 4 verteilt, durchströmt diese unter Wärmeaufnahme und Umwandlung zu einem vorkonditionierten Spaltgas. Das vorkonditionierte Spaltgas verlässt die Reaktionsrohre 4 am Rohrende 5, um sich in dem Freiraum 6 mit dem dort ebenfalls zugegebenen Oxidationsmittel, im Beispiel Sauerstoff über Leitung 7 und gegebenenfalls Erdgas und Kreislaufgas über die Leitungen 8 und 9 zu mischen und unter Temperaturerhöhung weiter zu reagieren. Die durch diese Reaktion erreichte Wärmetönung dient nun zur Beheizung der Reaktionsrohre 4. Das heisse Produktgas strömt wie angedeutet mit Pfeilen bei 10 im Freiraum mantelseitig im Gegenstrom zur Flussrichtung in den Reaktionsrohren 4 und verlässt den Reaktor 2 am Auslass 11. Danacn gelangt es in die Kühlstrecke 12, in der insbesondere der Wasserdampf auskondensiert, der über die Leitung 13 abgezogen wird. Die bei der Abkühlung frei werdende Wärme kann auf verschiedene Weise genutzt werden, insbesondere zur Vorwärmung und Überhitzung der Einsatz stoffe Erdgas und Dampf, die über Leitung lo der Kühl strecke 12 zugeführt werden. Zur Schluss kühlung dient ein beliebiges Kühlmittel über Leitung 15, z. B. Wasser, Luft oder auch Sauerstoff, falls eine Aufheizung von niedriger Temperatur erforderlich ist. Das nahezu wasserfreie Druckgas kann jetzt in einer Syntheseanlage umgesetzt werden, im Beispiel zu Methanol. Da jedes Produktgas inerte Bestandteile enthält, muss aus dem Synthesekreislauf eine bestimmte Gasmenge mit inerten Anteilen über Leitung 17 abgeführt werden. Ein anderer Teil, als Kreislaufgas bezeichnet, wird über Leitung 9 zum Reaktor 2 zurückgeführt. Die Menge des zurückgeführten Kreislaufgases ist abhängig von der Zusammensetzung des Einsatzgases im Reaktor 2 und den eingestellten Reaktionsbedingungen in dem Freiraum 6. Zusätzlich ist vorgesehen, bei Bedarf das Kreislaufgas zumindest teilweise über die Leitung 18 dem Einsatzgemisch zuzugeben. Das Rohmethanol verlässt die Synthese über Leitung 19. Beim konventionel'en Verfahren liegt der Wärmeverbrauch bei ca. 7,9 G cal/t Methanol. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren liegt der Wärmeverbrauch unter 7,1 G cal/t Methanol. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens nach Fig. 1. Der Reaktor 2 enthält eine Vielzahl Reaktionsrohre 4, die mit Katalysator 20 gefüllt sind. Die Reaktionsrohre 4 sind mit der Trennwand 21 dicht verbunden. Das obere tnde 22 ist offen und steht mit der oberen Kammer 3 in Verbindung, während das untere Ende 23 ebenfalls oEfen ist, und mit der unteren Kammer 24 in Verbindung steht. Damit ist das System Trennwand 21 und Reaktionsrohre 4 druckentlastet. Die Reaktionsrohre 4 sind in ihrem oberen Teil mit Schikanen 25 versehen, die als Hüllrohre dargestellt sind, so dass die weiter erhitzten Spaltgase in Ringspalten geführt werden. Diese Heizgase, die identisch sind mit dem Produktgas, verlassen den Reaktor 2 durch den Stutzen 26. Die untere Kammer 24 des Reaktors 2 einschliesslich der Unterseite der Trennwand ist wegen der hohen Temperaturen innenseitig mit einer wärmedämmenden Isolierung oder Ausmauerung 27 versehen. Um den Wärmeübergang auf der Heizgasseite zu erhöhen, können im Bedarfsfall auch andere -geeignete Schikanen 25, im Beispiel als Hüllrohre dargestellt, zwischen den Reaktionsrohren eingebaut werden Diese Schikanen sollten mit den Reaktionsrohren und/oder der Trennwand so verbunden sein, aass sie mit den Reaktionsrohren ein- und ausgebaut werden können. In den Begrenzungswänden des Freiraumes 6 sind Zufuhreinrichtungen für Oxidationsmittel und Kohlenwasserstoff vorgesehen, wobei sowohl einfache Düsenrohre 28 insbesondere für die Zufuhr von Kohlenwasserstoffen, als auch durchlässige poröse seram-kplatten 29, insbesondere für die Zufuhr von Oxidationsmitteln, vorgesehen sina. Das Düsenrohr 28 wird gleichzeitig so ausgebildet, dass der Reaktor unter Zugabe von Oxidationsmitteln angewärmt und in Betrieb gesetzt werden kann. Eig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform des Reaktionsrohres dar, wovon in der Figur nur das untere Ende dargestellt ist. In dieser Variante wird mindestens ein Teil des Oxidationsmittels durch ein in der Mitte des Reaktionsrohres angeordnetes Rohr 30 dem Raum 6 zugeführt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei Reaktoren mit grossem Durchmesser die Mischungsverhältnisse im Freiraum 6 verbessert werden. Dabei ist es jedoch nicht unbedingt erforderlich, jedes Reaktionsrohr 4 mit einem Rohr 30 für die Durchleitung/Zufuhr von Oxidationsmitteln auszurüsten.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Erzeugung von Produktgas mit Wasserstoff und Kohlenoxyde-Gehalten aus einem Einsatzgas, das im wesentlichen Kohlenwasserstoffe enthält, insbesondere aus Erdgas, versetzt mit Wasserdampf, durch a) katalytische, endotherme Spaltung in katalysatorge füllten Reaktionsrohren zu Spaltgas b) teilweise Verbrennung des Spaltgases zu Produktgas mittels Sauerstoff und/oder Sauerstoff -nthaltendem Gas, wie z. B. Luft, dadurch gekennzeIchnet, dass die katalytische endotherme Spaltung unter a) durchgeführt.wird mittels Beheizung der Reaktionsrohre durch das nach b) erzeugte Produktgas. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einsatzgas andere geeig nete Gase, wie z. B. Wasserstoff und/oder Kohlenoxyd, zu gegeben werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die teilweise Verbrennung des Spaltgases nach b) ergänzt wird durch Zugabe von Brenngas wie z. B. Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es unter erhöhtem Druck betrieben wird, insbesondere unter einem Druck, der grösser als 3 bar ist. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mit Katalysator gefüllte Reaktionsrohre (4) in einem Reaktor (2) eingebaut sind, der durch eine Trennwand (21) in zwei Teile geteilt ist, und zwar in eine obere Kammer (3), der der Einsatzstoff zugeführt wird, und in eine untere Kammer (24), in der alle Reaktionen ablaufen, wobei die Reaktionsrohre (4) in der Trennwand (21) gasdicht befestigt sind und sowohl zur oberen Kammer (3) hin Öffnungen für den Eintritt des Einsatzstoffes haben, als auch zur unteren Kammer hin geöffnet sina. 6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang von der ''HeizgasseiFe'' her durch Einbau von geeigneten Schika nen (25), insbesondere im Bereich niedriger Temperaturen erhöht wird, wobei diese Schikanen mit der Trennwand (21), und/oder den Reaktionsrohren verbunden sind. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeicnnte, dass die Reaktionsrohre (4) lösbar, jedoch gasdicht in der Trennwand (21) befestigt sind. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Reaktionsmittel über Stutzen in der Behälterwand und/oder dem Benälterbo- den erfolgt, wobei Düsenrohre (28) undjoder bevorzugt durchlässige poröse Keramikplatten (29) zum Freiraum (6) hin vorgesehen sind und mindestens ein Düsenrohr (28) als Anfahrbrenner ausgebildet ist. 9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Kammer (24) des Druckgefässes (2) innenseitlg mit einer hochtemperaturbe ständigen Isolierung oder Ausmauerung (27) versehen ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige Reaktions rohre (o) mit in deren Mitte angeordneten Rohren (30) kleineren Durchmessers versehen werden, durch die dem Raum (6) mindestens ein Teil des erforderlichen Oxidations mittels zugeführt wird.

Inventors: MARSCH, HANS-DIETER, DIPL.-ING.
Applicants: UHDE GMBH
Application year: 1983
Main classification: C01B3
IPC codes: C01B3, B01J8