DE973749C - Verfahren zum Betrieb einer Konvertierungsanlage - Google Patents

Description

Die Umwandlung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf in Kohlendioxyd undWasserstoff, die sogenannte Konvertierung, beginnt bei Verwendung der üblichen in mehr als einer Schicht angeordneten Katalysatoren bei einer Temperatur von etwa 400° C und erreicht je nach dem Kohlenoxydgehalt des zu konvertierenden Gases Temperaturen bis zu 6oo° C in der ersten Katalysatorschicht. Vor Auf treffen auf die jeweils nächste Katalysatorschicht wird das Gas wieder auf 400 bis 440⁰ C gekühlt, und es wird durch diese Zwischenkühlung erreicht, daß das konvertierte Gas den Reaktionsofen mit einer zwischen 400 und 440⁰ C liegenden Temperatur verläßt.
Die Übertragung des Wärmeinhaltes des konvertierten bzw. nur teilkonvertierten Gases, im folgenden stets Kontaktgas genannt, an das zu konvertierende Frischgas erfolgt mittels Wärmetauschern und meistens in einem sogenannten Kühler-Sättiger-System, in welchem das Kontaktgas in einem Rieselkühler einen Teil seines Wärme- und Wasserdampfgehaltes unmittelbar an Wasser abgibt; in einem Rieselsättiger wird sodann das Frischgas mit dem vom Röhrenkühler kommenden heißen Kreislaufwasser berieselt, dadurch aufgeheizt und mit Wasserdampf beladen.

In Abb. ι ist schematisch eine solche Konvertierungsanlage dargestellt. Das Frischgas wird im Sättiger 1 gesättigt. Bei 2 wird Frischdampf zugegeben, im Vorwärmetauscher 3 tritt das Frischgas in Wärmetausch mit dem Kontaktgas und im Zwischen-

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wärmetauscher 4 wird die Reaktionswärme oder ein Teil derselben an das Frischgas abgeführt, das dann mit etwa 400⁰ C auf die erste obere Katalysatorschicht des Reaktionsofens 5 gelangt.

Das den Reaktionsofen verlassende Kontaktgas gibt einen Teil seiner Wärme im bereits erwähnten Vorwärmetauscher 3 an das Frischgas ab, wird weiter bis nahe an seinen Taupunkt im Röhrenkühler 6 durch das Kreislaufwasser gekühlt und gelangt anschließend in den mit Kreislaufwasser berieselten Rieselkühler 7. Über einen nicht gezeichneten Schlußkühler wird das Kontaktgas der Weiterverarbeitung zugeführt.

Das vom Rieselkühler 7 abfließende Kreislaufwasser wird auf den Sättiger 1 und das vom Sättiger 1 abfließende Wasser auf den Kühler 7 gepumpt.

Der Druck des bei 2 zugegebenen Frischdampfes muß höher sein als der, mit dem die Konvertierung betrieben wird.

Wesentlich bei der Herstellung von Synthesegas sind nun die Kompressionskosten für die nachfolgende Drucksynthese, z. B. Ammoniaksynthese usw., und die Dampfkosten für die Konvertierung. Zur Einsparung von Kompressionskosten kann man die Konvertierung unter Druck durchführen, was gegenüber der Niederdruckkonvertierung den Vorzug hat, daß man die Konvertierungsanlage vor eine Anlage zum Entfernen des die Synthese störenden Kohlendioxyds, also z. B. vor eine Druckwasserwäsche, anordnen kann.

Bei der Niederdruckkonvertierung muß dagegen das Kontaktgas erst auf den zum Entfernen der Kohlensäure erforderlichen Druck, z. B. 25 at, gebracht werden. Die Druckkonvertierung erfordert dagegen andererseits teueren Dampf zur Deckung der für die Konvertierung benötigten Zusatzwärme, dessen Druck höher sein muß als der, mit dem die Konvertierung betrieben wird. Die Niederdruckkonvertierung kommt statt dessen mit billigerem Dampf unter geringem Druck aus.

Es wurde nun gefunden, daß es möglich ist, die Konvertierung unter gewöhnlichem oder erhöhtem Druck mit Dampf zu betreiben, dessen Druck unter dem der Konvertierung liegt. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß an das Kreislaufwasser die für die Konvertierung notwendige Zusatzwärme durch einen besonderen, dampfbeheizten Röhrenwärmetauscher abgegeben, dessen Heizdampf einen geringeren Druck hat als der, unter dem die Konvertierung arbeitet. Das Kreislaufwasser fließt hierbei durch den Röhrenwärmetauscher, bevor es im Röhrenkühler durch das abziehende Kontaktgas erhitzt wird. Die zusätzlich benötigte Wärmemenge wird also hier dem Kreislaufwasser nach dem Rieselkühler und vor dem Röhrenkühler zugeführt. Für die notwendige Wärmezufuhr von außen hat das Kreislaufwasser an dieser Stelle seine niedrigste Temperatur. Das in dem Röhrenwärmetauscher entstehende Kondensat wird zweckmäßig in den Wasserkreislauf gepumpt.

In Abb. 2 ist das neue Verfahren schematisch dargestellt.

Das Frischgas wird im Sättiger 1 mit Wasser von solcher Temperatur und solcher Menge berieselt, daß es die gesamte für die Konvertierung notwendige Wasserdampfmenge aufnimmt. Über Vorwärmetauscher 3 und Zwischenwärmetauscher 4 gelangt das Frischgas zum Reaktionsofen 5. Das Kontaktgas strömt wie in Abb. 1 über den Vorwärmetauscher 3, den Röhrenkühler 6 und den Rieselkühler 7 und wird von dort über einen nicht gezeichneten Schlußkühler zur Weiterverarbeitung gegeben. Die Zuführung der zusätzlich benötigten Wärme erfolgt durch Beheizen des vom Rieselkühler 7 kommenden Kreislaufwassers in dem mit Dampf betriebenen Röhren wärmetauscher. Das in dem Röhrenwärmetauscher 8 entstehende Kondensat wird aus dem Kondenswasserbehälter 9 durch die Pumpe 10 in den Wasserkreislauf gedruckt. Im folgenden sei die praktische Ausführung des Verfahrens beispielsweise erläutert:

Bei einer Konvertierung mit einem Frischgasdruck von 28 at fließt das vom Rieselkühler 7 kommende Wasser mit 176° C ab. Diese Wassermenge sei 6,5 kg je Nm³. Der zusätzliche Dampfbedarf dieser Konvertierung beträgt 0,29 kg je Nm³ Frischgas bei einem Wärmeinhalt des Dampfes von 725 kcal je kg. Die Kreislaufwassermenge wird durch diesen Dampf auf 200° C erwärmt. Die weitere Erwärmung des Kreislaufwassers erfolgt im Röhrenkühler 6.

Vorrichtungen, wie der geschilderte dampfbeheizte, als Wassererhitzer dienende Röhrenwärmetauscher 8, sind in Dampf zentralen üblich, sie arbeiten mit Temperaturdifferenzen zwischen der Sattdampftemperatur des heizenden und der Endtemperatur des zu erwärmenden Wassers von 5 bis io° C. Nimmt man z. B. eine Temperaturdifferenz von 7⁰ C an, so kann man mit Heizdampf, der eine Sattdampftemperatur von 207° C hat, das Kreislaufwasser auf 200° C erwärmen. Das bedeutet, daß man die Wärmezufuhr mit Dampf von 18,3 at durchführen kann, während die Konvertierung bei einem Druck von 28 at verläuft.

Ist der Gesamtbedarf an Dampf geringer, so sinkt der Frischdampfverbrauch und gleichzeitig auch die Temperatur, mit der das Wasser vom Rieselkühler 7 abfließt und damit auch der erforderliche Druck des Heizdampfes.

Würde man eine größere Wassermenge für den Kreislauf wählen und dadurch die Temperaturerhöhung durch den Heizdampf verringern, so käme man mit noch geringeren Heizdampfdrücken aus. Durch die Temperaturverhältnisse im Rieselkühler und Sättiger ist man aber in der Kreislaufwassermenge beschränkt, so daß es bei einer Anordnung nach Abb. 2 nicht möglich ist, mit wesentlich größeren Wassermengen zu arbeiten.

Es hat sich nun gezeigt, daß dies doch durchführbar ist, wenn man zwei getrennte Wasserkreisläufe unterhält.

In Abb. 3 ist diese Ausführungsform des Verfahrens schematisch dargestellt. Das Frischgas wird in einem Sättiger 1 vorgesättigt und nimmt im Sättiger 11 den gesamten für die Konvertierung notwendigen Wasser- iao dampf auf. Wie schon oben beschrieben, gelangt das Frischgas dann über den Vorwärmetauscher 3 und den Zwischen wärmetauscher 4 in den Reaktionsofen 5. Das Kontaktgas wird im Zwischenwärmetauscher 4 und Vorwärmetauscher 3 durch das zu erwärmende Frischgas gekühlt, gibt im Röhrenwärmetauscher 6

einen Teil seiner Wärme an das Kreislaufwasser ab und gelangt anschließend mit einer etwas über seinem Taupunkt liegenden Temperatur in den Rieselkühler 7.

Es sind nun zwei Wasserkreisläufe, ein kalter und ein heißer, vorhanden. Im kalten Kreislauf wird das vom Kühler 7 abfließende Wasser auf den Sättiger 1 gepumpt und von diesem wieder zurück auf den Kühler 7. Beim heißen Kreislauf wird an das vom Sättiger 11 kommende Wasser zunächst in dem mit Dampf beheizten Röhrenwärmetauscher 8 die für die Konvertierung notwendige Zusatzwärme gegeben, wobei das Kondensat des Heizdampfes wieder aus dem Kondensatbehälter 9 mittels Pumpe 10 in den Wasserkreislauf gepumpt wird. Das Kreislaufwasser dieses zweiten Kreislaufes wird weiter im Röhrenkühler 6 erwärmt. Im allgemeinen kann die Kreislaufwassermenge des heißen Kreislaufes größer gewählt werden als die des kalten Kreislaufs.
Für die im obigen Beispiel angegebenen Verhältnisse kann nun die Kreislaufwassermenge z. B. so gewählt werden, daß 12 kg Wasser je 1 Nm³ Frischgas auf den Sättiger 11 fließen. Die um die vom Frischgas aufgenommene Dampf menge verringerte Kreislauf wassermenge verläßt den Sättiger 11 mit einer Temperatur von 177⁰ C. Nach Zugabe von Frischkondensat mit 140⁰ C hat das Wasser eine Temperatur von 176⁰ C. Durch die Beheizung mit 0,29 kg Dampf steigt seine Temperatur auf 190⁰ C an. Der Heizdampf muß somit eine Sattdampftemperatur von 197 ° C haben, was einem Dampfdruck von 15 at entspricht.

Würde man die gleiche Konvertierung bei einem Druck von 12 bis 13 at betreiben, so würde man einen Heizdampfdruck von 6 bis 7 at benötigen.
Die praktische Bedeutung des Verfahrens geht aus folgendem hervor:

Arbeitet man in Verbindung mit einer Synthesegasanlage und betreibt die Druckkonvertierung mit 28 at und hat das Werk ein Heizdampfnetz von nur 31 at zur Verfugung, so kann man bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens die Konvertierung mit 15 at betreiben. Der Dampf kann also in der Energiezentrale durch weitere Entspannung in Dampfturbinen von 31 auf 15 at Arbeit leisten und Strom erzeugen.

Bei der Konvertierung unter gewöhnlichem Druck verwendet man als Wärmetauscheinrichtung vorteilhaft die beim Dampfturbinenbetrieb üblichen Dampfkondensatoren, wobei der Dampfdruck entsprechend der für die Aufheizung des Kreislaufwassers notwendigen Temperatur eingestellt werden muß.

Gegenstand des Patentes 874 297 ist ein Verfahren zur Umsetzung kohlenoxydhaltiger Gasgemische mit Wasserdampf zwecks Gewinnung von Wasserstoff, das gekennzeichnet ist durch die Erzeugung der gesamten für die Konvertierung notwendigen Wasserdampfmenge in der Konvertierungsanlage selbst, derart, daß dem in einem Kondensator niedergeschlagenen und einem Verdampfer im Kreislauf rückgeführten Wasser vor seinem Eintritt in den Verdampfer so viel Wärme von außen zugeführt wird, daß es im Verdampfer an das durch diesen geführte Gasgemisch die erforderliche Wasserdampfmenge abgibt. Bei dieser Arbeitsweise ist weiterhin vorgesehen, daß zur Erhitzung des umlaufenden Wassers Dampf von niedrigerer Spannung als dem Arbeitsdruck der Konvertierung, aber von höherem Druck als dem Teildruck des Wasserdampfes in dem umzusetzenden Gas-Dampf-Gemisch verwandt wird. Diese Arbeitsweise wird hier nicht beansprucht.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Umwandlung von Kohlenoxyd und Wasserdampf in Kohlendioxyd und Wasserstoff bei gewöhnlichem oder erhöhtem Druck unter Verwendung von Wärmetauschern zum Aufheizen des Frischgases durch das aus dem Reaktionsofen abziehende, sogenannte Kontaktgas unter Benutzung von Wasser als Wärmeüberträger zwischen Kontaktgas und Frischgas, dadurch gekenn zeichnet, daß an das Kreislauf wasser die für die Konvertierung notwendige Zusatzwärme durch einen besonderen, dampfbeheizten Röhrenwärmetauscher (8) abgegeben wird, dessen Heizdampf einen geringeren Druck hat als der, unter dem die Konvertierung arbeitet, und das Kreislaufwasser anschließend im Röhrenkühler (6) durch das abziehende Kontaktgas erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat des Heizdampfes des Röhrenwärmetauschers (8) mittels Pumpe in den Wasserkreislauf gepumpt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei getrennte Wasserkreisläufe, ein heißer und ein kalter, vorgesehen werden, wobei im heißen Kreislauf das vom Sättiger (11) abfließende Wasser zunächst über den mit Dampf beheizten Röhrenwärmetauscher (8) und anschließend über den Röhrenkühler (6) zum Sättiger (11) des heißen Kreislaufs gepumpt wird und im kalten Kreislauf das im Rieselkühler (7) erwärmte Wasser auf den Sättiger (1) und von diesem wieder auf den Rieselkühler (7) geleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreislaufwassermenge des heißen Kreislaufs größer gewählt wird als die des kalten Kreislaufs.

In Betracht gezogene Druckschriften: Chemisches Zentralblatt, 1935, I, S. 1431/1432, N. S. Gawrilow.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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