DE3018127A1 - Verfahren zum reformieren von kohlenwasserstoffen und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents
Verfahren zum reformieren von kohlenwasserstoffen und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrensInfo
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Description
Verfahren zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer gasförmigen Mischung, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid
enthält, bei dem schwefelhaltiger Kohlenwasserstoff direkt in Dampfform dem Umwandeln oder Reformieren unterworfen
wird, ohne vorher entschwefelt zu werden, und sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Schwefelhaltiger Kohlenwasserstoff, insbesondere extrahiertes
Öl wie Kerosen, Gasöl oder Dieselöl, vakuumdestilliertes Casöl oder Dieselöl und dergleichen, das dadurch erhalten
worden ist, dass Erdöl oder Petroleum atmosphärischer Destillation und Vakuumdestillation unterworfen worden ist,
enthält eine beträchtliche Menge an Schwefel, die z.B. 40 bis 100 ppm bei kommerziell erhältlichem entsehwefeItem Kerosen,
200 bis 1500 ppm bei Gasöl und mehr bei vakuumdestilliertem Gasöl beträgt. Dementsprechend können diese
schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffe nicht direkt der-Dampf-
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Umwandlung oder dem Dampfreformieren in Anwesenheit des herkömmlichen
Nickel enthaltenden Katalysators unterworfen werden.
Die technischen Probleme, die bei einem Verfahren zum Dampfreformieren
gelöst werden müssen, bei dem leichter Kohlenwasserstoff wie Butan und Benzin oder Naphtha in Dampfform
mit einem Oxidationsmittel für die Umwandlung oder das Reformieren
wie z.B. Dampf mit einer hohen Temperatur von 500 bis 850 C in Anwesenheit eines Nickel enthaltenden Katalysators
reformiert werden soll, bestehen in der Aufrechterhaltung der Aktivität des Nickel enthaltenden Katalysators
und in der Verhinderung der Kohlenstoffablagerung auf dem
Katalysator, und es sind viele herkömmliche Verfahren bisher hierfür vorgeschlagen worden und auch in die industrielle
Praxis umgesetzt worden. Jedoch besitzen alle die oben erwähnten herkömmlichen Verfahren zum Dampfreformieren den
Nachteil, dass leichter Kohlenwasserstoff als Ausgangsmaterial
im voraus der Entschwefelung unterworfen werden muss, so dass der Schwefel im wesentlichen entfernt werden kann.
Schwefel, der in einem Ausgangsmaterial enthalten ist, wandelt Nickel in dem Katalysator in Nickelsulfid um, wodurch
die Aktivität des Katalysators verloren geht und Ablagerung oder Niederschlag von Kohlenstoff bewirkt wird, wodurch ein
langzeitiger Betrieb unmöglich wird. Wenn der Schwefelgehalt in dem Ausgangsmaterial erhöht ist, werden auch die
daraus resultierenden Schwierigkeiten erhöht.
In Bezug auf diese Schwierigkeiten wird beispielsweise auf
Seite 69 eines Artikels mit der Überschrift "Production of
Hydrogen by Naphtha Steam Reforming", der auf Seite 66 von No. 10, Vol. 21, "Petroleum & Petrochemistry", beginnt, foT-\
beschrieben: "Ein vollständiges Dampfreformieren von leichtem Gasöl (LBP/FBP=134°C/314°C) unter Verwendung einer Laboratoriurasapparatur
unter den gleichen Bedingungen wie bei der Herstellung von Ammoniaksynthesegas wird erzielt. Jedoch
bewirkt die unzureichende Entschwefelung (20 ppm) des
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- f-L
Ausgangsmaterials, dass der Katalysator vergiftet wird, und
2 bis 3 Stunden später wird ein Teil des Ausgangsmaterials
nicht dem Umwandeln oder Reformieren unterworfen und verlässt das Katalysatorbett, wie es ist, um so im Auslassgas enthalten
zu sein." Mit anderen Worten, diese vorstehende. Beschreibung zeigt, dass sogar 20 ppm Schwefel bewirkt, dass
die Aktivität des Katalysators innerhalb einer kurzen Zeitdauer von 2 bis 3 Stunden verloren geht. Dementsprechend
muss das Ausgangsmaterial einem Entschwefelungsverfahren wie
einer Hydrodesulfurierung im voraus unterworfen werden, so
dass der Schwefelgehalt in dem Ausgangsmaterial kleiner als
1 ppm, vorzugsweise kleiner als 0,1 ppm, ist, bevor es dem
Dampfreformieren unterworfen wird, um einen Langzeitbetrieb zu ermöglichen.
Die meisten Schwefelverbindungen, die in einer leichten
Fraktion wie Benzin oder Naphtha enthalten sind, sind im
allgemeinen Thiole und Sulfide, und ihr Schwefelanteil kann leichter durch Hydrodesulfurierung entfernt werden. Schwefelverbindungen,
die jedoch in einer schweren Fraktion wie Kerosen enthalten sind, sind in der Hauptsache Thiophene,
die vom technischen und wirtschaftlichen Standpunkt aus äusserst schwierig durch Hydrodesulfurierung entschwefelt
werden können.
Demzufolge ergibt sich, dass die herkömmlichen Verfahren zur Hochtemperatur-Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen
unter Verwendung eines Nickel enthaltenden Katalysators den Nachteil besitzen, dass Schwefel in dem Ausgangsraaterial
vorher entfernt werden muss, aber die Entschwefelung von
schweren Fraktionen sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher
Hinsicht Schwierigkeiten bereitet. Daher können Ausgangsmaterialien, die derartige schwere Fraktionen enthalten,
nicht dem Dampfreformieren unterworfen werden.
Im Hinblick auf chemische Ausgangsraaterialien muss jedoch
andererseits Wert darauf gelegt, werden, dass mit natürlichen
Rohstoffquellen sparsam umgegangen wird, und bei der Ver-
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wendung von schwereren und verschiedenartigen Ausgangsmaterialien
muss die zukünftige Abnahme von Erdölquellen in Betracht gezogen werden. Demzufolge ist die Entwicklung eines
Verfahrens zur Kohlenwasserstoff-Dampfreformierung und einer
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in hohem Masse erforderlich, bei dem schwere Fraktionen, die durch
Entfernen von Rückständen aus der Destillation unter Atmosphärendruck und aus Vakuumdestillation von Erdöl erhalten
werden, in weitem Masse als \usgangsmaterialien angewendet werden können und bei dem Schwefel enthaltende Materialien
auch eingesetzt werden können, ohne dass sie vorher entschwefelt werden müssen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dampfreformieren von Schwefel enthaltenden Kohlenwasserstoffen
zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, mit dem Schwefel enthaltende schwere
Fraktionen ebenfalls als Ausgangsmaterial anwendbar sind.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Dampfreformieren zu schaffen, mit dem schwefelhaltige Kohlenwasserstoffe
als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden können, ohne dass sie vorher entschwefelt werden müssen.
Ausserdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur
Durchführung dieser Verfahren zu schaffen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Dampfreformieren geschaffen, bei dem eine gasförmige Mischung
eines Kohlenwasserstoffes, der Schwefelverbindungen enthält, mit einem Oxidationsmittel zum Reformieren wie
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beispielsweise mit Dampf oder mit einer Mischung aus Dampf und Kohlendioxid zur Zersetzung erhitzt wird, während
die Mischung durch ein alkalisches Feststoff-Packungsbett, das Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthält, geleitet
wird und dann durch ein Nickel enthaltendes Katalysatorbett
bei einer Temperatur von 800 C oder mehr geleitet wird, um
eine Gasmischung zu erzeugen, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält.
Die herkömmliche Hochtemperatur-Dampfreformierung unter Verwendung
von nickelhaItigem Katalysator wird bei 500 bis
85O°C durchgeführt. In diesem Temperaturbereich bewirkt der
Schwefel, der in dem Ausgangsmaterial enthalten ist, dass
Nickel in dem Katalysator in Nickelsulfid umgewandelt wird,
wodurch die Aktivität des Katalysators verloren geht und Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Katalysator bewirkt wird und
ein Langzeitbetrieb unmöglich wird. In Abhängigkeit von der enthaltenen Menge Schwefel, d.h. bei einer hohen Temperatur
von 800°C oder höher bei einem niedrigen Schwefelgehalt, oder bei 9000C oder höher bei einem hohen Schwefelgehalt, ist Nickel in dem Katalysator zum grössten Teil in
Form von Nickel entsprechend seinem Gleichgewicht anwesend, so dass die Aktivität des Katalysators ohne Ablagerung von
Kohlenstoff aufrechterhalten werden kann. Es wurde das Reformieren
bei einer hohen Temperatur von 800°C oder höher durchgeführt, wobei die vorstehend beschriebene Tatsache in
Betracht gezogen wurde, und es wurde gefunden, dass die
Probleme so technisch gelöst werden können.
Und zwar umfasst das Hochtemperatur-Reformieren das Aufheizen
bis zu einer hohen Temperatur von 800°C von schwefelhaltigem Kohlenwasserstoff allein oder zusammen mit einem Oxidationsmittel
zum Reformieren, und es wurde gefunden, dass bei Kohlenwasserstoff, der bei Raumtemperatur in Form von Flüssigkeit
vorliegt, Ablagerung von Kohlenstoff im laufe des Aufheizens auf 800°C auftritt. Die Kohlenstoffablagerung
oder der Kohlenstoffniederschlag im Verlauf dieses Aufheizens
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macht es unmöglich, die nachfolgende Dampfreformierung unter
Verwendung eines Nickelkatalysators durchzuführen. Viele
Experimente zeigten, dass das Aufheizen von einem Temperaturbereich von 350 bis 600°C auf 800°C für Zersetzung durch
ein alkalisches Festkörper-Packungsbett, das frei von Nickel ist und Alkalimetall und Erdalkalimetall enthält, keinen
Niederschlag oder Ablagerung von Kohlenstoff bewirkt.
Die alkalische Festkörperpackung kann aus einem Alkalimetall oder Erdalkalimetalloxid und Oxid von Aluminium zusammengesetzt
sein und ist vorzugsweise frei von Nickel. Bei einem Temperaturbereich, der niedriger als 800 C ist, ist das
Entweichen von Kalium so gering, dass es wünschenswert ist, einen Bestandteil wie Kalium zu inkorporieren, der dazu
dient, Kohlenstoffablagerung zu verhindern.
Dann wird das erzeugte Gas, das niedrigere Kohlenwasserstoffe und andere Gase enthält, die so gebildet worden sind,
in ein Nickel enthaltendes Katalysatorbett eingeleitet und darin der Dampfreformierung bei wenigstens 800 C oder höher,
vorzugsweise 900 bis 1000°C, unterworfen, wobei die Aktivität
des Katalysators aufrechterhalten bleibt, und ein kontinuierlicher
Betrieb über lange Zeit ist ohne irgendeine Kohlenstoff
ablagerung möglich. Ein nickelhaltiger Katalysator,
der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird bei einer hohen Temperatur verwendet, die höher als 800 C ist,
und es gibt keine Notwendigkeit, ein die Kohlenstoffablagerung
verhinderndes Mittel wie Kalium zu inkorporieren, das bei derartig hohen Temperaturen entweicht, da der Zustand
der gasförmigen Mischung, die in das Katalysatorbett eingeführt wird, und die Aktivität des Katalysators in erwünschter
Weise aufrechterhalten bleiben. Der verwendete Katalysator
wird hergestellt, indem eine bestimmte Menge Nickel in ein Oxid oder mehrere Oxide der Elemente, die zu der Gruppe
II des periodischen Systems gehören, wie Beryllium, Magnesium, Calzium, Strontium, Barium und dergleichen, und das Oxid
von Aluminium, das zur Gruppe III gehört, inkorporiert wird.
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Die verwendete alkalische Festkörperpackung umfasst beispielsweise
Festkörper, wie sie in der,US-Patentschrift No. 3,969,542 beschrieben sind, und kann weiterhin andere alkalische
Festkörperpackungen umfassen, wie sie an sich bekannt sind. Der verwendete Nickel-Katalysator kann beispielsweise
Katalysatoren umfassen, wie sie in der US-Patentschrift No. 4,101,449 beschrieben sind, und es können auch andere nicke
haltige Katalysatoren verwendet werden, die an sich für die Kohlenwasserstoffreformierung bekannt sind.
Es gibt keine Beschränkung für den Druck, der für die Reaktion
angewendet wird, aber der angewendete Druck ist natürlich durch Beschränkungen des Materials des Reaktors begrenzt
.
Die Temperatur in dem alkalischen aus Festkörpern gepackten Bett und in dem Nickel enthaltenden Katalysatorbett
variiert mit dem Aufbau, der Menge und dergleichen des Kohlenwasserstoffmaterials
und der Schwefelverbindungen. Es sollten Temperaturen verwendet werden, die keine Zersetzung
am Einlass des alkalischen Festkörperpackungsbettes bewirken. Die Temperatur sollte 800 C oder hoher und vorzugsweise
900 bis 1000°C an dessen Auslass sein, während die Reaktion in dem Nickel enthaltenden Katalysatorbett bei 800°C oder
höher, vorzugsweise bei 900 bis 1000°C, durchgeführt wird.
Die Erfindung wird nun durch AusführungsbeispieIe anhand
der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine erklärende Darstellung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine erklärende Darstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Figur 3 einen vertikalen Schnitt, der eine Ausführungsform
der Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden
Erfindung darstellt;
Figur 4 einen vertikalen Schnitt, der eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden
Erfindung darstellt, und
Figur 5 einen vertikalen Schnitt, der noch eine weitere Ausführungsforra der Vorrichtung zur Durchführung
der vorliegenden Erfindung darstellt.
In Figur 1 ist ein Reaktor 1 mit einem Packungsbett 2 aus einer alkalischen Festkörperpackung und einem Packungsbett
aus einem darin enthaltenen nickelhaltigenKatalysator versehen
und wird von aussen mit Wärme versorgt, die zur Dampfreforraierung
notwendig ist. Kohlenwasserstoff als Ausgangsmaterial
wird mit Dampf in Form von Gas gemischt und dann durch eine Leitung 4 bei 350 bis 600°C in den Reaktor 1 eingeführt.
Die Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung wird auf 8OO°C
oder höher zur Zersetzung in dem alkalischen Festkörperpackungsbett erhitzt und dann bei 800 C oder höher in dem
nickelhaltigen Katalysatorbett vollständig zersetzt, um eine Mischung zu bilden, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält
, die dann aus dem Reaktor durch eine Leitung 5 herausgenommen wird. In Figur 1 zeigen (a) und (b) die Fälle, in
denen der Durbhfluss der Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung
und der gebildeten gasförmigen Mischung in zueinander entgegengesetzten Richtungen erfolgt.
Die Temperatur der Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung, die in
den Reaktor 1 eingeführt wird, variiert mit dem Siedepunktbereich des als Ausgangsmaterial verwendeten Kohlenwasserstoffes
und wird aus Temperaturen in dem Bereich von 350 bis 600 C ausgewählt. Im Falle von flüssigem Kohlenwasserstoff
darf Kohlenstoffablagerung nicht in den Verfahrensschritt der Verdampfungs-Vorerhitzung erfolgen. Es wurde
angenommen, dass Gasöl und unter Vakuum destilliertes Sasöl
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Kohlenstoffablagerung sogar schon bei 500 C verursachen,
aber die Erfinder der vorliegenden Anmeldung fanden bei ihren Untersuchungen, dass die Rate der Kohlenstoffbildung
so niedrig ist, dass der kontinuierliche Betrieb ohne Kohlenstoffablagerung
durch Verkürzung einer Aufenthaltszeit in dem Verfahrensschritt der Verdampfungs-Vorerhitzung möglich
wird. Es sollte jedoch eine Temperatur oberhalb 600 C vermieden werden, da die Rate der Kohlenstoffablagerung
bei 600 C oder höher hoch wird, so dass Verstopfung von Leitungen und ähnliches entstehen kann.
Beispiele
Beispiel 1
In den Einlassteil eines Reaktorrohres mit einem inneren
Durchmesser von 60 mm, dessen Länge 2/3 der Gesamtlänge des Reaktionsrohres war, wurde eine alkalische Festkörperpackung,
die 12 CaO * 7 Älo°3 als inren Hauptbestandteil
enthielt, gepackt und über das restliche 1/3 der Länge
des Reaktionsrohres wurde ein Katalysator gepackt, der so
hergestellt war, dass er 15 Gew.-% Ni auf einem Träger,
der 12 CaO · 7 Al-Og als seinen Hauptbestandteil enthielt,
trug, easöl, das eine Siedetemperatur von 210 bis 353°C
aufwies und 900 ppm Schwefel enthielt, wurde als zu bearbeitendes Öl verwendet. Dieses Ausgangsöl wurde in der Gasphase
mit Dampf mit einer Durchflüssrate von 1,34 kg/h gemischt,
um das Verhältnis (Dampf-Mole)/(Anzahl Kohlenstoffatome)
= 3,5 zu machen, und die Mischung wurde dem Einlass
2 des alkalischen Festkörperpackungsbettes unter etwa 21 kg/cm
(20 kg/cm β, d,h. Überdruck über Atmosphärendruck) bei 400°C zugeführt, darin auf 9000C erhitzt und dann der Reaktion in
dem Nickel enthaltenden Katalysatorbett bei 950 C unterworfen, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden:
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Menge des gebildeten Gases 5 Nm /h
Zusammensetzung des gebildeten Gases
H2 | 59,3 |
CH4 | 14,6 |
CO | 11,6 |
CO0 | 14,5 |
HgS+COS 180 ppm
Während des Betriebs wurde kein Kohlenstoff in dem gebildeten
Gas bemerkt und in einer Untersuchung des Reaktionsrohres nach Fertigstellung des Betriebes wurde keine Kohlenstoff
ablagerung gefunden.
Das herkömmliche Kohlenwasserstoff-Dampfreformieren war
technisch und wirtschaftlich auf die Anwendung einer Benzinoder
Naphtha-Fraktion mit einem Siedepunktbereich von etwa 220 C oder niedriger beschränkt, und es war nur anwendbar
auf ein im wesentlichen entschwefeltes Material. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann jedoch die Dampfreformierung
ohne Kohlenstoffablagerung mit Material, das sich über
einen weiten Bereich an Materialien von schwefelhaltigem Methan bis zu schweren Erdöl-Fraktionen, ausgenommen Rückstandsöl,
erstreckt, durchgeführt werden. Dampfreformierung von flüssigem Kohlenwasserstoff, der frei von Schwefel ist,
kann offensichtlich ohne Kohlenstoffablagerung durchgeführt
werden. Die oben beschriebene Tatsache zeigt, dass die vorliegende Erfindung eine hohe Wirkung insbesondere im Falle
einer Erdöl-Fraktion besitzt, deren Entschwefelung vor der Durchführung der Dampfreformierung sowohl technisch als auch
wirtschaftlich schwierig ist, oder in dem Falle, wenn die
Inkorporation von Schwefel in dem durch das Dampfreformieren gebildeten Gas gestattet ist.
Die vorliegende Erfindung besitzt auch den Vorteil, dass Schwefelverbindungen, die in dem Ausgangsmaterial enthalten
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sind und schwierig durch Entschwefelung zu entfernen sind,
in H2S oder COS umgewandelt werden können, indem sie dem
Dampfreformieren gemäss der vorliegenden Erfindung unterworfen werden. Die im wesentlichen vollständige Entschwefelung
von dem so gebildeten H2S oder COS kann leicht durch
herkömmliches Säure-Gas-Entfernungsverfahreh durchgeführt werden.
Durch eine andere Ausführungsform wird ein bevorzugtes Verfahren
für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geschaffen. Eine erste Ausführungsform, die oben beschrieben
wurde, wird bei einer Temperatur durchgeführt, die höher
als die Reaktionstemperatur bei dem herkömmlichen Dampfreformieren
ist, d.h. 800 C oder mehr beträgt, so dass eine Erhöhung der Ausnutzung von thermischer Energie mehr denn
je erwünscht ist. Figur 2 zeigt eine erklärende Darstellung dieser Ausführungsform. Das in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigte Verfahren unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Verfahren dadurch, dass eine Leitung 6 für gebildetes
©as durch ein alkalisches Festkörperpackungsbett 2 und ein nickelhaltiges Katalysatorbett 3, die in ein Reaktionsrohr
1 gepackt sind, hindurchreicht. Ein Gas hoher Temperatur, das durch die Dampfreformierung in dem nickelhaltigen
Katalysatorbett 3 gebildet ist, wird in die Leitung 6 für gebildetes Gas eingeführt. Wenn das so gebildete Gas
durch die Leitung 6 hindurchströmt, wird die fühlbare Wärme des gebildeten Gases dem Gas, das durch das nickelhaltige
Katalysatorbett und das alkalische Festkörperpackungsbett hindurchströmt, durch indirekten Wärmeaustausch abgegeben.
Dann wird das gebildete Gas durch eine Ablass leitung 7 für das gebildete Gas aus dem Reaktor herausgelassen.
Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass eine Leitung
6 für gebildetes Gas mit einem inneren Durchmesser von 10 mm in dem Reaktionsrohr 1 aus Beispiel 1 angebracht wurde,
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wobei die Temperatur eines Auslasses der Leitung 6 für gebildetes
Gas (ein Einlass einer Leitung 7) 59O°C betrug. Sowohl die Menge als auch die Zusammensetzung des gebildeten
Gases waren dieselben wie die in Beispiel 1. In Beispiel 2 wurde jedoch eine verbrauchte Brennstoffmenge von
31 % im Vergleich zu Beispiel 1 eingespart, wie es nachstehend angegeben ist.
Beispiel Beispiel 1 2
Temperatur der gasförmigen Kohlen- dnn .
wasserstoff-Dampf-Mischung (0C)
Gebildetes Gas qr-n
Auslass-Temperatur (0C)
Verbrennungsgas Ablass-Tempe- OQ_. nQ/_
ratur (0C) 98° 98°
Verhältnis der verbrauchten Brenn- 1 η
stoffmengen U'
Nachfolgend wird eine Beschreibung der Verbindung mit einem
voder Heizelementen/
Ofen und Brenner^,die in den oben beschriebenen zwei Ausführungsformen
die Wärme dem Reaktionsrohr zuführen, angegeben. Die obige Beschreibung bezieht sich auf solch eine Vorrichtung,
bei der eine Vielzahl von vertikalen Reaktionsrohren, die mit einem alkalischen Festkörperpackungsbett
und einem nickelhaltigen Katalysatorbett versehen sind,
parallel zueinander angeordnet sind, um einen Ofen zu bilden, und Reaktionsrohre werden durch eine Vielzahl von seitlichen
Wandbrennern an den jeweiligen Seitenwänden des Ofens erhitzt, die hauptsächlich dem nickelhaltigen Katalysatorbett
gegenüberliegend angeordnet sind.
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- /IL
Die Wärmemenge und das Temperaturniveau, die in dem alkalischen Festkörperpackungsbett erforderlich sind, in dem die
Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung von einer Temperatur von 350 bis 600°C auf 800°C oder höher für die thermische Zersetzung
erhitzt wird, können auf einem niedrigeren Niveau . als in dem nickelhaItigeη Katalysatorbett liegen, wo sie
auf 80O0C oder höher durchgehend gehalten wird. Jedoch kann
die Anwendung des Deckenheizungssystems oder des Bodenheizungssystems (d.h. Heizung von oben oder unten), das in
weitem Masse als Hauptheizmittel angewendet worden ist,
nicht lokales Aufheizen vermeiden. Dementsprechend wird bei der Durchführung der ersten und zweiten Ausführungsform
der Erfindung ein seitliches Heizsystem als Hauptheizmittel angewendet, bei welchem System die Verbrennungs- oder Heizmenge
über einen weiten Bereich entsprechend der Wärmemenge gesteuert werden kann, die in einer dem nickelhaItigen Katalysatorbett
entsprechenden Zone absorbiert wird, und dadurch wird es möglich, lokales Aufheizen des Reaktionsrohres
zu vermeiden und Brennstoff zu sparen. Viele Experimente zeigten, dass es vom Standpunkt der Wärmeökonomie wünschenswert
ist, dass die bei der vorliegenden Erfindung angebrachten seitlichen Wandbrenner auf der Seitenwand des Ofens
von
angebracht sind, die seitlich/dem nickelhaItigen Katalysatorbett
gelegen ist, um die Reformierungszone auf einem hohen
Temperaturniveau mit Wärme zu versorgen, und dann wird das alkalische Festkörperpackungsbett mit Wärme versorgt,
indem sich das Verbrennungsgas bewegt, um die Strahlungswärme-übergangszone
zu verlassen.
Figur 3 ist eine Ausführungsform für die praktische Durchführung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. In Figur 3 ist ein Strahlungswärme-Übergangsabschnitt eines
Heizofens 10 mit einer Vielzahl paralleler Reaktiohsrohre vorgesehen; ein Reaktionsrohr 1 ist mit einem alkalischen
Festkörper-Packungsbett 2 in seinem oberen Teil und mit einem nickelhaItigen Katalysatorbett 3 in seinem unteren
Teil versehen; eine Leitung 6 für gebildetes «as, die durch
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beide Betten hindurchreicht, besitzt eine Öffnung mit einem Niveau oder Mundstück am Boden des Reaktionsrohres, und
ein anderes Niveau oder Mundstück der Leitung 6 für das gebildete Gas hat eine Ausgangsöffnung aus einem oberen Abschnitt
des Reaktionsrohres heraus. Eine Vielzahl von seitlichen Heizelementen oder Brennern 11 ist an beiden Seitenwänden,
die dem nickelhaltigen Katalysatorbett in dem Reaktionsrohr
1 entsprechen, angebracht. Das Verbrennungsgas von den seitlichen Wandbrennern 11 wird an einen (in der
Figur nicht dargestellten) Konvektionsw&rme-Übergangsabschnitt
durch eine Leitung oder Schacht 13 abgegeben, der in einem oberen Abschnitt des Heizofens vorgesehen ist.
In Figur 3, wo eine Gasleitung 6 für gebildetes Gas gemäss
der beschriebenen zweiten Ausführungsform angebracht ist,
wird eine gasförmige Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung bei
3 50 bis 6OO°C abgezweigt, um jeweils in ein Reaktionsrohr 1 durch eine Leitung 4 eingeführt zu werden, und wird dann
von dem Verbrennungsgas, das ausserhalb des Reaktionsrohres
entlangströmt, und von dem gebildeten Gas in der Leitung 6 für gebildetes Gas mit Wärme versorgt, damit sie zur Zersetzung
auf eine gewünschte Temperatur von 800 C oder höher erhitzt wird, und dann wird ihr Wärme von dem Verbrennungsgas, das
ausserhalb des Reaktionsrohres entlangströmt, und von dem
gebildeten Gas in der Leitung 6 für gebildetes Cas zur
Dampfreformierung bei 800°C oder höher in dem nickelhaltigen
Katalysatorbett zugeführt, wobei das gebildete Gas hoher Temperatur in die Leitung 6 für gebildetes Gas strömt
und durch diese hindurch aufsteigt, um schliesslich durch eine Ablass leitung 7 für gebildetes Gas abgelassen zu werden.
Wenn die oben beschriebene erste Ausführungsform angewendet
wird, ist die Leitung 6 für gebildetes fltas nicht im
Innern vorgesehen oder angeschlossen, so dass das gebildete Gas aus dem Reaktionsrohr abgelassen wird, um einer Abwärmerückgewinnung
unterworfen zu werden, nachdem es den Heizofen verlassen hat. Es ist leicht einzusehen, dass dann,
wenn der Durchfluss der gasförmigen Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung
und des gebildeten Gases in den entsprechenden ent-
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gegengesetzten Richtungen, also nach oben oder nach unten,
verläuft, dann jedes Bauelement in der entgegengesetzten Richtung nach oben oder nach unten angeordnet ist.
In Figur 3 erfolgte die Erklärung unter Bezugnahme auf eine
Vielzahl von Reaktionsrohren, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Anordnung der Reaktionsrohre kann in
einer Draufsicht eine lineare oder eine Zick-Zack-Konfiguration
besitzen. Die seitlichen Wandbrenner können entsprechend dem Arbeitsablauf geeignet ausgelegt sein, z.B^
dass sie gleiche Kapazität besitzen, oder sie können eine kleine Kapazität im oberen Abschnitt und eine grosse Kapazität im unteren Abschnitt besitzen.
Unter den gleichen Bedingungen, die in den Beispielen 1
und 2 beschrieben wurden, wurden die seitlichen Wandbrenner
in Figur 3 so angeordnet, dass die Verbrennungsgas-Aus
lass temperatur (entsprechend einem Einlass-Strom der Leitung 13) 800°C sein kann. Die verbrauchte Brennstoffmenge
wurde auf 56 % der Menge in Beispiel 1 reduziert,
während die Menge in Beispiel 2 auf 69 % der Menge in
Beispiel 1 reduziert war. Das bedeutet, dass die in Beispiel
3 verbrauchte Brennstoffmenge auf 81% der Menge in.
Beispiel 2 reduziert war.
Die folgende Ausführungsform ist dergestalt, dass: eine
wärmeleitende Packung, z.B. inerte Kugeln wie Aluminiumoxidkugeln,
an den Auslass des Strahlungswärme—Übergangsabschnittes
für das Verbrennungsgas gepackt ist, um darin den Wärmeübergang zu verbessern, oder Rippen auf der äusseren
Seitenwand des entsprechenden Abschnittes des Reaktionsrohres angebracht sind. Eine weitere. Einsparung, der Brennstoff
menge für die Verbrennung in dem Heizofen kann vorzugsweise dadurch erzielt werden, dass die Temperatur des
" ORIGINAL INSPECTED '
Verbrennungsgases, das von dem Ofen abgelassen wird, so
weit wie möglich abgesenkt wird. Wenn jedoch die Verbrennungsgastemperatur gesenkt wird, ist jedoch der Strahlungswärme-Übergang
merklich reduziert und der Konvektionswärmeübergang wird vorherrschend, so dass die Rate des Wärmeübergangs
stark verringert wird. Als Folge davon kann Brennstoff eingespart werden, aber es wird notwendig, die Ausdehnung
des Reaktionsrohres zu verlängern oder die Anzahl von Reaktionsrohren zu erhöhen, um die Wärmeübergangsfläche
zu vergrössern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten viele Untersuchungen über die Absenkung der Temperatur
des Verbrennungsgases, das von dem Ofen abgelassen wird, und das Beibehalten der Wärmeübergangsrate auf einem
hohen Niveau durch, um die Einsparung an verbrauchtem Brennstoff bei dieser Ausführungsform zu erreichen. Figur 4
zeigt eine Vorrichtung dieser AusfUhrungsform, in der der
Durchfluss der Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung, die in
das Reaktionsrohr 1 einströmt, und des gebildeten eases
gemäss der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform in entgegengesetzten Richtungen im Vergleich zu Figur 3 verlaufen,
und die letztere Hälfte der Leitung 6 für das gebildete Gas ist ein rohrschlangenförmig geformtes Rohr 8 anstelle
eines geraden Rohres. Die Wärmeübergangsrate kann merklich verbessert werden, indem ein Abschnitt 14 mit inerter
Kugelpackung vorgesehen wird und indem die letztere Hälfte der Leitung 6 für das gebildete Gas ein rohrschlangenförmiges
Rohr 8 ist. Die inerten Kugeln (oder gegebenenfalls Füllkörper mit anderer Form) können vorzugsweise
aus einer geeigneten Gestalt und Grosse hergestellt werden und können aus einem Material bestehen, das gute Wärmebeständigkeit
und gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Figur 5 zeigt eine Abwandlung der in Figur 4 dargestellten
Vorrichtung, bei der eine Kühlrippe 15 auf einem Abschnitt der äusseren Seitenwandung angebracht ist, die seitlich an
dem alkalischen Festkörper-Packungsbett des Reaktionsrohres
Q 3 0 0 6 47 Q5 9 5
gelegen ist, um die Wärmeübergangsrate zu verbessern. Die Kühlrippe 15 kann aus einem plattenartigen oder stabartigen
vorspringenden Steg oder in anderer Form ausgebildet sein, sofern sie nur in der Lage ist, die W&rmeübergangsflache
zu vergrössern.
Es wurde ein Experiment unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 3 mit einer Vorrichtung durchgeführt,
die mit plattenartigen vertikalen Kühlrippen ausgestattet war, wie es in Figur 5 gezeigt ist. Die Menge an verbrauchtem
Brennstoff wurde um 11% im Vergleich zu der in Beispiel 3 verringert und eingespart.
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• (.1.
Leerseite
Claims (8)
1. Verfahren zum Umwandeln oder Reformieren von Kohlenwasserstoffen,
bei dem eine gasförmige Mischung aus schwefelhaltigem Kohlenwaaserstoff und einem
Oxidationsmittel für die Reformierung mit einem Katalysator in Kontakt gebracht wird, um die Mischung
zu reformieren oder in eine Sasraischung umzuwandeln, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid
enthält ,dadurch gekennzeichnet,
dass diese gasförmige Mischung auf eine Temperatur oberhalb 80O°C aufgeheizt wird, während
die gasförmige Mischung durch ein alkalisches Festkörper-Packungsbett, das Alkaliaetall
und/oder Erdalkalimetall enthält, geleitet wird
und dann diese erhitzte gasförmige Mischung durch ein nickelhaltiges Katalysatorbett bei einer Temperatur
oberhalb 8OO C geleitet wird, um die Mischung zu reformieren oder in die besagte
schung umzuwandeln.
2.
Verfahren nach Anspruch 1
dadurch
ge
kennzeichnet , dass die erhitzte Mischung bei einer Temperatur von 900 bis lOOO C
durch das nickelhaItige Katalysatorbett geleitet
wird.
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3. . Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e - . ,-t :
kennzeichnet , dass die alkalische ,TIi,
Festkörperpackung aus Alkalimetalloxid und/oder - >*V
Erdalkalimetalloxid und Aluminiumoxid zusammen- -:'j!'_
gesetzt ist. ·;■]
4.
Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , dass der nickelhaltige
Katalysator aus wenigstens einem Metalloxid, das aus Oxiden von Beryllium, Magnesium, Calzium,
Strontium und Barium ausgewählt ist, und Oxid Ton
Aluminium, in oder auf die Nickel ein- oder aufgebracht ist, zusammengesetzt ist. :_'
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , das« die von dem Katalysatorbett abgezogene #<tsmiechung im Oegenstrom
zu dem Durchfluss der gasförmigen Mischung aus dem schwefelhaltigen Kohlenwasserstoff und dem
Oxidationsmittel zum Reformieren in eine Zone
geleitet wird, die sich durch das alkalische Festkörper-Packungsbett und da« Katalysatorbett
erstreckt, wodurch die fühlbar« Wärme der abgelassenen gebildeten easmischung für einen Teil
der bei der Reformierungsreaktion benötigten Reaktionswärme und, um die gasförmige
Mischung aufzuheizen, verwendet wird.
6. Vorrichtung zum Umwandeln oder Reformieren von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet , dass sie einen Heizofen (10)
umfasst, in dessen Strahlungswärme-Übergangezone
mehrere Reaktionsrohre (1), in die jeweils ein alkalisches Festkörper-Packungebett (2) und ein
nickelhaItiges Katalysatorbett (3) eingebaut sind,
vertikal und parallel zueinander angeordnet sind,
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und dieser Heizofen (10) mit einer Vielzahl von Heizelementen oder Brennern (11) zum Heizen der
Äeaktionsrohre (1) an der Stelle, die dem Katalysatorbett
(3) auf der Seitenwandung des Heizofens (10) gegenüberliegt, versehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass ein Festkörper
Packungsbett (14) aus einem inerten Festkörper-Wärmeübertragungsmedium dem alkalischen Festkörper-Packungsbett
(2) benachbart in wenigstens einem Teil des Raumes zwischen dem Reaktionsrohr (1) und der Seitenwandung de« Heizofens
(10) angebracht ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass eiss® Vielzahl
von Rippen oder Kühlrippen (15) an einer Stelle, die dem alkalischen Festkörper-Packungsbett (2)
benachbart ist, auf der Aussenwandung de® Reaktionsrohres
(1) angebracht ist.
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