NL8403144A

NL8403144A - Werkwijze voor het bereiden van een synthesegas.

Info

Publication number: NL8403144A
Application number: NL8403144A
Authority: NL
Original assignee: Stamicarbon
Priority date: 1984-10-16
Filing date: 1984-10-16
Publication date: 1986-05-16

Description

• ‘' . . »

WdW/WP/mjh * * STAMICARBON B.V. (Licensing subsidiary of DSM)

Uitvinder: Hans C. de Lathouder te Geleen -1- PN 3584

WERKWIJZE VOOR HET BEREIDEN VAN BEN SYNTHESEGAS

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bereiden van een synthesegas, waarbij in een eerste reactiezone een koolwaterstof en stoom in aanwezigheid van een katalysator onder toevoer van warmte gedeeltelijk worden omgezet in voornamelijk 5 koolstofoxiden en waterstof en waarbij in een tweede reactiezone, in de eerste reactiezone niet-omgezette koolwaterstoffen in aanwezigheid van een katalysator onder toevoer van warmte nagenoeg geheel worden omgezet in eveneens voornamelijk koolstofoxiden en waterstof»

Meer in het bijzonder betreft de uitvinding een werkwijze 10 voor het bereiden van een synthesegas, dat geschikt is om te worden gebruikt bij de bereiding van ammoniak, methanol of een mengsel van methanol en hogere alcoholen.

Bij voorkeur wordt hierbij uitgegaan van een koolwaterstof met 1 tot 3 C-atomen, zoals bijvoorbeeld methaan, of van een methaan bevattend 15 gas, bij voorbeeld aardgas.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift no. 3,442,613.

De bekende werkwijze heeft betrekking op de bereiding van een synthesegas waarvan ammoniak kan worden vervaardigd, waarbij in een eerste 20 reactiezone een koolwaterstof en stoom in aanwezigheid van een katalysator worden omgezet en warmte wordt toegevoerd door de wand die de eerste reactiezone begrenst, bijvoorbeeld stralingswarmte door verbranding van een gas met behulp van een brander. In een tweede reactiezone worden de uit de eerste reactiezone afkomstige gassen door 25 verbranding in situ van onder andere in de eerste reactiezone niet omgezette koolwaterstoffen verhit en vervolgens in aanwezigheid van een katalysator omgezet in voornamelijk koolstofoxiden en waterstof.

De uit de tweede reactiezone afkomstige gassen worden benut om stoom op te wekken.

30 Het bezwaar van de bekende werkwijze is, dat het temperatuureiveau van 840 31 4 4 -2- de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen thermodynamisch niet maximaal wordt uitgenut. De uitvinding heeft ten doel om een werkwijze te verschaffen voor het bereiden van een synthesegas waarbij dit bezwaar niet optreedt en waarbij bovendien minder energie nodig is dan 5 bij de bekende werkwijze.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt dit daardoor bereikt, dat de aan de eerste reactiezone toegevoerde warmte althans gedeeltelijk wordt onttrokken aan de warmte-inhoud van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen.

10 Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt het temperatuurniveau van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen exergetisch zo efficient mogelijk benut d.w.z. de warmte ervan wordt bij een zo hoog mogelijke temperatuur overgedragen naar een ander medium, i.c. de zich in de eerste reactiezone bevindende media.

15 Een belangrijk voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is, dat de wandtemperatuur van de wand die de eerste reactiezone begrenst, aanzienlijk lager is dan die bij de bekende werkwijze, zodat een goedkoper materiaal voor de wand kan worden toegepast of, bij 't zelfde . materiaal, in de eerste reactiezone een hogere druk kan worden toege-20 laten.

Door de uitvinding wordt tevens bereikt, dat de warmtetoevoer aan de eerste reactiezone plaats kan vinden zonder het verstoken van brandstof, die wellicht met meer profijt als chemische grondstof had kunnen worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld aardgas. Ook is bij de uit-25 vinding het voordeel aanwezig, dat er geen ingewikkelde en onderhoud vragende branders voor het toevoeren van warmte aan de eerste reactiezone nodig zijn en dus ook geen regelinrichting om de brandstof en de lucht gelijkmatig te verdelen over de diverse branders.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding 30 wordt daardoor gekenmerkt, dat aan de tweede reactiezone zuurstof en eventueel een koolwaterstof wordt toegevoerd en de warmteinhoud van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen althans gedeeltelijk wordt gecreëerd door (partiële) oxidatie van een gedeelte van de aan de tweede reactiezone toegevoerde brandbare gassen.

35 De in situ oxidatie van een koolwaterstof heeft als voordeel dat de 840 31 4 4' -3- daarbij vrijkomende warmte door direct contact met de te verwarmen media wordt overgedragen en dus niet door bij voorbeeld een wand behoeft te worden geleid.

Een andere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uit-* 5 vinding wordt daardoor gekenmerkt» dat de warmteinhoud van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen wordt gecreëerd bij een druk van 35-120 bar.

De werkwijze volgens de uitvinding is bij uitstek geschikt om te worden toegepast in combinatie met een z.g. Katalytische Partiële 10 Oxidatie Reactor (KPOR) als uitvoeringsvorm voor de tweede reactiezone.

Een dergelijke reactor kan voor een druk van 35-120 bar worden ontworpen» zonder dat er een kritieke mechanische of technologische grens-wordt benaderd of overschreden. Bij de bereiding van ammoniak of 15 methanol is het energetisch voordeliger om de synthesegasbereiding bij de hierboven vermelde drukken plaats te doen vinden.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt» dat de-warmtetoevoer aan de eerste reactiezone plaats vindt door warmteoverdracht van de uit de tweede reac-20 tiezone afkomstige gassen naar de zich in de eerste reactiezone bevindende media. Deze uitvoeringsvorm kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door de om te zetten koolwaterstoffen door buizen te leiden waarin zich een katalysator bevindt en de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen om de bedoelde buizen te leiden.

25 Het voordeel hiervan is» dat het drukverschil over de wand die de eerste reactiezone begrenst hoogstens slechts enkele bars bedraagt, zodat de eerste reactiezone bij een relatief hoge druk, bij voorbeeld 35-120 bar, kan worden bedreven.

De werkwijze volgens de uitvinding zal vervolgens worden 30 toegelicht aan de hand van het volgende uitvoeringsvoorbeeld. De uitvinding is uiteraard hier niet toe beperkt met name niet tot de in het voorbeeld gegeven inrichtingen voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding.

In figuur 1 zijn schematisch de eerste en de tweede reactiezone aange- 840 31 4 4

u <*V

* -4- geven met de onderling verbindende leidingen en in fig. 2 een detail van fig· 1·

In figuur 1 zijn met 1 een aantal van de pijpen aangegeven waarvan het inwendige samen met andere pijpen (niet aangegeven) de eerste reac-5 tiezone vormt, 2 is de tweede reactiezone, welke zich in een Katalytische Partiële Oxidatiereactor (KPOR) 7 bevindt. In het onderhavige voorbeeld bestaat de eerste reactiezone bijvoorbeeld uit een pijpen-warmtewisselaar 4 met daarin pijpplaten 5, waarbij in de pijpen 1 een katalysator 6 is aangebracht. De om te zetten koolwaterstof en stoom 10 worden via leiding 16 getransporteerd en gedeeltelijk, via leiding 17, aan de eerste reactiezone in pijpenwarmtewisselaar 4 toegevoerd. In de eerste reactiezone worden de toegevoerde koolwaterstof en stoom opgewarmd tot en althans gedeeltelijk omgezet bij een temperatuur die ligt tussen 650 en 750 °C. Vervolgens wordt het verkregen gasmengsel 15 via leiding 13 toegevoerd aan de KPOR 7. In de figuur is ook een bypass leiding 3 met een restrictie 8 aangegeven waardoor eventueel een gedeelte van de koolwaterstoffen en stoom rechtstreeks kan worden toegevoerd aan KPOR 7. De in de eerste reactiezone heersende temperatuur wordt hierdoor mede bepaald. Afhankelijk van de hoeveelheid 20 toegevoerde koolwaterstoffen, de drukken en de temperaturen die in de eerste en in de tweede reactiezone heersen en ook de afmetingen van de eerste reactiezone kan het voordelig zijn om een bepaald gedeelte van de koolwaterstoffen rechtstreeks aan de tweede reactiezone toe te voeren.

25 De in KPOR 7 benodigde zuurstof wordt via leiding 14 toege voerd. De toegevoerde hoeveelheid zuurstof hangt af van de hoeveelheid en de aard van de brandbare gassen die moeten worden verbrand om voldoende warmte op te wekken om in de tweede reactiezone een temperatuur tussen 900 en 1200 °C te verkrijgen.

30 De uit de tweede reactiezone afkomstige gassen worden door leiding 9 toegevoerd aan pijpenwarmtewisselaar 4 en om de buizen 1, die de eerste reactiezone omvatten, geleid. Vervolgens worden de gassen door leiding 10 aan een warmtewisselaar 11 toegevoerd waarin de door leiding 15 toegevoerde koolwaterstof en stoom worden opgewarmd tot een 35 temperatuur van 400-650 °C alvorens door leidingen 16 en 17 aan de 840 314 4 ' .

-5- * pijpenwarmtewisselaar 4 en eventueel vla leiding 3 rechtstreeks aan de KPOR 7 te worden toegevoerd.

De gassen worden door leiding 12 afgevoerd naar bijvoorbeeld een procesinstallatie voor de bereiding van ammoniak of methanol.

5 Voorbeeld 1

Toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding bij de bereiding van ammoniak, uitgaande van aardgas.

Gegevens gasstroom ter plaatse van de uittreezijde van de tweede reactiezone: 10 Gasstroomhoeveelheid: 194 kmol/t DB}

Temperatuur; 975 eC

Druk: 35-120 bar.

Bij afkoeling van deze gasstroom in de pijpenwarmtewisselaar 4 tot 700 °C, wordt 2000 MJ/t NS3 energie overgedragen op de zich in de 15 eerste reactiezone bevindende aardgas en stoom. Hierdoor wordt bij de bereiding van het synthesegas, ten opzichte van de in de aanhef ver- melde stand van de techniek, een aan deze energiehoeveelheid equivalente hoeveelheid brandstof bespaard.

Ter illustratie van het feit, dat met de werkwijze volgens de 20 uitvinding ook energie wordt bespaard bij toepassing daarvan bij voorbeeld bij de bereiding van ammoniak is in voorbeeld 2 het totale mechanische energieverbruik per ton geproduceerde ammoniak vermeld en in het vergelijkingsvoorbeeld de waarden daarvan bij de bereiding van ammoniak volgens de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 84 02091. Bij de 25 werkwijze volgens laatstbedoelde octrooiaanvrage vindt de synthesegas-bereiding in één reactiezone plaats.

Bij voorbeeld 2 en het vergelijkingsvoorbeeld is uitgegaan van de volgende gegevens: - aardgas beschikbaar bij een druk van 70 bar 30 - zuurstofbereiding door luchtscheiding - zuurstof en stikstof beschikbaar bij 1 bar 84 0 31 4 4 * v ·*£

V

* % -6- η - ammoniakreactie vindt plaats bij 200 bar - synthesegastemperatuur uittreezijde reactiezone is 975 °C.

De energiebesparing wordt veroorzaakt, doordat bij de werkwijze volgens de uitvinding minder scheidingsenergie voor de 5 luchtscheiding en minder compressieenergie voor de zuurstof nodig is dan bij de werkwijze volgens het vergelijkingsvoorbeeld.

VergelijkingsvoorbeeldjVoorbeeld 2jBesparing _!_I_

Synthesegas compr. ( totale mech. | totale mech. jtotale mech.

10 druk energie | energie incl. | energie incl. | energie incl.

(bar) (MJ/t NH3) j luchtscheiding j luchtscheiding j luchtscheiding I (MJ/t ¢1¾) I (MJ/t NHJ) I (MJ/t m) _L_!_!_!_

II I

35 1400 j 1710 | 1485 | 225 45 1370 j 1685 I 1455 I 230 15 80 1220 I 1545 I 1300 | 245 120 1150 j 1490 j 1240 j 250 _L_!_j_j_ 840 31 4 4

Claims

1. Werkwijze voor het bereiden van een synthesegas, waarbij in een eerste reactiezone een koolwaterstof en stoom in aanwezigheid van een katalysator onder toevoer van warmte gedeeltelijk worden omgezet in voornamelijk koolstofoxiden en waterstof en waarbij in een 5 tweede reactiezone, in de eerste reactiezone niet-omgezette koolwaterstof in aanwezigheid van een katalysator onder toevoer van warmte nagenoeg geheel worden omgezet in eveneens voornamelijk koolstofoxiden en waterstof, met het kenmerk, dat de aan de eerste reactiezone toegevoerde warmte althans gedeeltelijk wordt 10 onttrokken aan de warmteinhoud van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat aan de tweede reactiezone zuurstof en eventueel een koolwaterstof wordt toegevoerd en de warmteinhoud van de uit de tweede reactiezone 15 afkomstige gassen althans gedeeltelijk wordt gecreëerd door (partiële)oxidatie van een gedeelte van de aan de tweede reactiezone toegevoerde brandbare gassen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de warmteinhoud van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen wordt 20 gecreëerd bij een druk van 35-120 bar.

4. Werkwijze volgens één der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de warmtetoevoer aan de eerste reactiezone plaatsvindt door warmteoverdracht van de uit de tweede reactiezone afkomstige gassen naar de zich in de eerste reactiezone bevindende media·

5. Werkwijze voor het bereiden van ammoniak onder toepassing van een werkwijze volgens een der conclusies 1-4, waarbij aan de tweede reactiezone een stikstof/zuurstof mengsel, bijvoorkeur lucht, wordt toegevoerd.

6. Werkwijze voor het bereiden van methanol of een mengsel van metha- 30 nol en hogere alcoholen onder toepassing van een werkwijze volgens een der conclusies 1-4.

7. Werkwijze zoals beschreven en toegelicht in de figuur. 84 0 3 1 4 4