DE839346C - Vorrichtung zur Umsetzung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf zu Kohlensaeure und Wasserstoff - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Umsetzung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf zu Kohlensäure und Wasserstoff Bei der Umwandlung von Kohlenoxyd und Wasserdampf in Kohlensäure und Wasserstoff, der sog. Konvertierung, nach der Gleichung CO + H, O = CO, + Hz beträgt die entstehende Reaktionswärme 45o kcal je \m3 umgesetzten Kohlenoxyds, bezogen auf den unteren Heizwert von Kohlenoxyd undWasserstoff. Die technischeDurchführung dieser Reaktion erfolgte bisher im allgemeinen in zwei -durch die Art der Abführung der Reaktionswärme unterschiedenen Anordnungen.
• Bei der älteren Bauart einer solchen Konvertierungsanlage verwendet man gemäß Abb. i zwei sog. Kontaktöfen a1 und a2, d. h. Öfen, in denen sich der Katalysator in einer Schicht auf durchlässiger Unterlage befindet, und zwei Wärmeaustauscher bi und b2. Das mit Wasserdampf gesättigte kohlenoxydhaltige Gas, sog. Frischgas, tritt bei c in den Wärmeaustauscher b1, durchströmt zunächst diesen, sodann den Wärmeaustauscher b2 und gelangt schließlich in Iden Kontaktofen a1, in dem die Hauptumsetzung stattfindet. Die Temperatur, mit der das Frisehgas auf den Katalysator im Ofen al auftrifft, beträgt etwa 38o°. Bei einer Umsetzung von z. B. 4o % Kohlenoxyd zu 6 % im Ofen a1 verläßt das konvertierte Gas diesen Ofen mit einer Temperatur, die je nach dem Wasserdampfgehalt zwischen 5oo und 55o° liegt. Dieses heiße, kbmv'ertiertie Gas gibt neun einen Teil seines Wärmeinhalts an das ankommende Frischgas im

  Wärineaustatischer bz ab, so daß der Kontaktofen a.,,

  in dem die Umsetzung des Kohlenoxydrestes bis auf

  3 bis 4 % stattfindet,, mit einem Gas von ebenfalls

  etwa 38o° beschickt werden kann. Die Gase gehen

  vom Ofen a. weiter nach dem Wärmeaustauscher bi

  und verlassen dann die Anlage. Die Einstellung der

  Temperaturen erfolgt durch eine am Wärmeaus-

  tauscher b1 vorgesehene Uingangsleitutig is, durch

  die man die Temperatur, mit der die Gase auf die

  erste und zweiteKatalysatorschicht auftreffen, durch

  Schieber s einstellen kann. Bei frischem, sehr ak-

  tivem Katalysator betreibt man die Ofen mit Ein-

  gangstemperaturen von etwa 35o°, während nach

  längerer Betriebszeit, wenn die Umsetzungs-

  geschwindigkeit nachgelassen hat, die Temperatur

  durch Drosselung der Umgangsleitung höher ein-

  gestellt wird.

  Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß sie

  verhältnismäßig viel Rohrleitungen zwischen den

  vier Einzelapparaten erfordert. und den weiteren

  achteil, daß die Reaktionswärme durch Aufheizunn

  des Frischgases abgeführt und nicht zur Verdamp-

  fung von Wasser und damit zur Verbilligung der

  l')ctrielisweise herangezogen wird.

  Diese beiden Nachteile beseitigt die in _1b1>. 2

  gezeigte Anordnung, bei der über einem @\'ärmeaus-

  tauscher b ein Kontaktofen mit zwei Katalvsator-

  schichten a1 und a.2 angeordnet ist. Der \\'ä rmeaus-

  tauscher kann auch neben dem Kontaktofen auf-

  gestellt werden. Diese Ausführungen erzielen kurze

  Rohrleitungen zwischen Wärmeaustauscber und

  Ofen. "!.wischen beiden Katalysatorschichten wird

  zur Abführung der Reaktionswärme bei e Wasser

  eingespritzt, das verdampft und mit den von oben

  leerabströmenden Gasen in der mit Raschigringen

  versehenen Zone f innig vermischt wird und als

  Dampf an der Umsetzung bzw, Einstellung des

  Gleichgewichtes teilnimmt.

  Diese an sich sehr gute Anordnung hat Jedoch

  einen schwerwiegenden Nachteil, der im foigenden

  begründet ist: Bei der Aufheizung des Frischgases

  durch die heißen Reaktionsgase ist ein Temperatur-

  gefälle ein 11'ärmeaustauscher b notwendig. Man muß

  also die Temperatur des die zweite

  a2 verlassenden Gases stets höher halten als

  die Temperatur, mit der das Frischgas auf die erste

  l@atalvsatorschicht auftrifft. Praktisch verwendet

  man \\'ä rmeaustausclier, die eine Temperaturdiffe-

  renz von etwa 50 bis 8o° ergeben. Die Anordnung

  der Abb. 2 erfordert also zwangsläufig höhere Tem-

  peraturen in der letzten Katalysatorschicht als die

  Anordnung in Abb. i. Die in der Katalysator-

  schicht a.= zur Einstellung des Wassergasgleich-

  gewichtes notwendige- Wasserdampfmenge ist des-

  lialb bei der zweiten Anordnung wegen der in der

  letzten Katalysatorschicht notwendigen - höheren

  Temperatur stets größer- als bei der ersteh Anord-

  nung. Beträgt beispielsweise die Temperatur, mit

  der man auf die erste Schicht kommt, 38o°, so kann

  bei Anordnung der Abb. i die Temperatur, -mit der

  (las Gas die zweite Schicht verläßt, ebenfalls 38o°

  betragen, während sie bei- der Anordnung nach Abb. 2

  bei .130° liegt. Da die Konstante für das Wassergas-

  Bleichgewicht bei 38o° den Wert 0,o65 und bei q.30° den Wert von o,105 hat, benötigt man bei der Anordnung nach Abb. 2 die i,63fache Wasserdampfmenge zur Einstellung des Gleichgewichtes.
• Eine zweckmäßige Vereinigung der Vorteile beider Anordnungen unter Vermeidung ihrer Nachteile bildet die vorliegende Erfindung; bei dieser Anordnung kann darüber hinaus die Temperatur, mit der das Gas auf die erste Schicht auftrifft, unabhängig von der Temperatur der letzten Schicht eingestellt werden. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil der Katalysator der ersten Schicht im Laufe der Zeit durch Staub inaktiver wird und dann mit einer höheren Temperatur eingesetzt werden muß, während man in der letzten Schicht die Temperatur zwecks Einsparung von Dampf niedriger hält, was bei der :Anordnung nach Abb. i nicht möglich ist.
• Das Wesentliche der neuen Anordnung besteht darin, daß die Katalv satorschichten sowie mindestens ein Röhrenwärmeaustauscher in einem einzigen Ofen übereinander angeordnet sind. Dabei soll ein Wärmeaustauschers zwischen der obersten, von den vorgewärmten Reaktionsgasen zuerst durchströmten Katalysatorschicht und der nächsten unteren Katalysatorschicht angeordnet sein. :\ußerdem befindet sich dann noch ein weiterer,.inx allgenlein:ri größerer Wärmeaustauscher außerhalb des Ofens, den diL aufzuheizenden iGase zuerst durchströmen und von dem diese Gase dann in den im Ofen angeordneten Wärmeaustauscher strömen. Zur Regelung der Temperatur der die erste Katalysatorschicht verlassenden Reaktionsgase befindet sich vor dem eingebauten Wärmeaustauscher noch eine Vorrichtung zur `'Wassereinspritzung. 1,iii Teil der Reaktionsgase kann auch, falls erwünscht, durch eine besondere Leitung, ohne den Wärmeaustauscher zu durchströmen, nach unten zu der folgenden oder den folgenden Katalysatorschichten geführt werden.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführungsforen der Erfindung besteht darin, daß der in den Ofen eingebaute Röhrenwärmeaustauscher in der Mitte einen freien, während des Betriebs oben durch einen Deckel verschlossenen Ringraum besitzt, durch den die nachgeschaltete Katalvsatorschicht oder -schichten bei unterbrochenem Betrieb ausgewechselt werden können.
• An Hand der Abb.3 sei ein Beispiel der Erfindung näher erläutert: Das gegebenenfalls in einem außerhalb des in der Abb. 3 dargestellten Konvertierungsofens liegenden Wärmeaustauscher (nicht gezeichnet), durch den die bei in abziehenden Reaktionsgase strömen, vorgewärmte Frischgas (Was-ser.dampf, Kohlenoxyd-Gemisch) wird bei lr dem Röhrenwärmeaustauscher b zugeführt; es strömt in diesem die Rohre umspülend aufwärts (s. Pfeilrichtung) und dringt von oben in die oberste Katalysatorschicht a1 ein; die diese Schicht verlassenden Gase können sodann, falls erforderlich bei ei' durch Wassereinspritzdüsen (nicht gezeichnet) so weit gekühlt werden, daß sie im Röhrenwärmeaustauscher b das Frischgas gerade auf die gewünschte Temperatur erhitzen. Der Wärmeaustauscher b besitzt in. der Mitte den durchgehenden freien Ratim g, der oben

  durch Deckel ti und Ventil ! abschließbar ist. Wenn

  nicht alle Reaktionsgase durch den Wärmeaus-

  tatischer abwärts strömen sollen, kann zur Regelung

  der Wärmeabgabe im @'\'ärmeaustauscher ein Teil

  der Reaktionsgase durch eine Umleitung (nicht ge-

  zeichnet) oder durch Gien freien Raumg ohne Wärme-

  abgabe nach unten geführt werden: in diesem Fall

  ist das Ventil l entsprechend anzuheben.

  Es ist zweckmäßig, die obere Katalysatorschicht

  nicht auf der Rohrwand des Wärmeaustauschers h

  ruhen zu lassen, sondern entsprechende Konsolen i

  am Außenmantel des Ofens anzubringen, die die Ka-

  talysatorlast aufnehmen. Der Wärmeaustauscher b

  ist so eingebaut, daß der Raum der vom Katalysator

  abströmenden Gase vom Raum der zuströmenden

  Frischgase bei k stopfbüchsenartig abgedichtet ist,

  so daß sich der Wärmeaustauscher frei ausdehnen

  kann.

  Die freie Ausdehnung der Wärmeaustauscher-

  rohre kann gemäß :\hli..@ auch dadurch erreicht

  werden, (laß man (las zu konvertierende Gas bei lt

  einführt, vorn Ringraum o aus durch die Wärme-

  austauscherrohre b in den unmittelbar auf ihnen

  ruhenden Ringraum p str<imen läßt, von wo es durch

  einige größere auf dem Ringraum ruhende auf-

  rechte Rohre r über die Katalysatorschicht a1 geleitet

  wird. Bei Ausdehnung der Wärmeaustauscherrolire b

  können sich diese frei nach oben bewegen, da die

  Rohre r, die mit den Wärmeaustauscherrohren über

  den Ringraum in Verbindung stehen, in der Kata-

  lysatorschicht a1 beweglich sind. Bei dieser Aus-

  führungsform werden Stopfbuchsen vermieden.

  Die Anordnung dieses Wärmeaustauschers als

  Ringwärmeaustauscher hat betrieblich den großen

  Vorteil, (iaß bei Abnahme des Verschlußdeckels ri

  der Katalysator aus den unteren Schichten a2 und

  a.; ohne Schwierigkeiten ausgebaut werden kann.

  Durch die Einspritzdüsen er und e3 wird über der

  Katalysatorschicht a2 und a3 Wasser, Dampf oder

  ein Gemisch von beiden zur Abführung der Reak-

  tionswärme und zur Temperatureinstellung zuge-

  geben.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zur Umsetzung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf zu Kohlensäure und Wasserstoff (Konvertierung) unter Anwendung, mehr als einer Katalysatorschicht und von Wärmeaustauschern, dadurch gekennzeichnet, (laß die Katalvsatorschichten sowie mindestens ein Röhrenwärmeaustauscher in einem einzigen Ofen übereinander angeordnet sind, wobei ein Röhrenwärmeaustauscherzwischen der obersten, von den vorgewärmten Reaktionsgasen zuerst durchströmten Katalysatorschicht und der nächsten unteren Katalysatorschicht angeordnet ist. a. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der obersten Katalysatorschicht und dem eingebauten Röhrenwärmeaustauschereine Vorrichtung zur Wassereinspritzung vorgesehen ist. 3. Vorrichtung nach Ansprüchen i und a, dadurch gekennzeichnet, daß von der obersten Katalysatorschicht nach der oder den unteren eine oder mehrere den Wärmeaustauscher umgehende Leitungen vorgesehen sind, durch die ein Teil der Reaktionsgase, die den Wärmeaustauscher nicht durchströmen sollen, zur unteren oder den unteren Katalysatorschichten geführt wird. 4. Vorrichtung nach Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Ofen zwischen den Katalysatorschichten eingebaute Röhrenwärmeaustauscher in der Mitte einen freien, während des Betriebs oben durch einen Deckel verschlossenen dIurchgehend:en freien, von den Wärmeaustauschrohren umschlossenen Raum besitzt, durch den die nachgeschaltete Katalysatorschicht oder Katalysatorschichten bei unterbrochenem Betrieb ausgewechselt werden können. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel, der den durchgehenden freien,von denWärmeaustauschrohren umschlossenen Raum des Wärmeaustauschers abschließt, mit mindestens einer kleineren verschließbaren Öffnung, vorzugsweise einem Ventil, versehen ist, durch welches ein Teil der Reaktionsgase unter Umgehung des Wärmeaustauschers nach der oder den unteren Katalysatorschichten geleitet wird. 6. Vorrichtung nach Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oberste Katalysatorschicht auf den Ofenmantel abgestützt .ist und daB der eingebaute Rährenwärmeaustauscher durch eine stopfbüchsenartige Abdichtung den Raum der vom Katalysator abströmenden Gase vom Raum der zuströmenden Frischgase trennt. 7. Vorrichtung nach Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu konvertierende Gas durch die Rohre (b) des eingebauten Wärmeaustauschers aufwärts nach einem Ringraum (p) strömt, aus dem es durch aufrechte frei ausdehnbare Rohre (r) über die Katalysatorschicht geleitet wird.