DE2016055A1 - Verfahren zur Oxydation von Kohlenmonoxyd - Google Patents
Verfahren zur Oxydation von KohlenmonoxydInfo
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Description
Dr. Dieter F. Morf 3. April I970
Dr. Hans-A. Brauns B- 983
. 8 München 86, Plenzenauerstr.2a ■
ENGELHARD MINERALS & CHEMICALS CORPORATION Newark, N. J., V.St.Ä.
Verfahren zur Oxydation von Kohlenmonoxyd
Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren
zur selektiven Oxydation von Kohlenraonoxyd, das in Beschickungsgasen aus einem Dampfreformierungskonverter
enthalten ist, iivdem die Beschickungsgase im Gemisch mit Sauerstoff mit einem Katalysator eines
Metalls der Platingruppe in Berührung gebracht werden und wobei die Aktivität des Katalysators hinsichtlich
der selektiven Oxydationsreaktion beibehalten wird, indem desaktivierter Katalysator mit
den Ausströmgasen der selektiven Oxydation, wobei Auaströmgase weniger als 50 PPm Kphlenmonoxyd enthalten, bei einer Temperatur von 75 bis 2000G periodisch
behandölt wird·
Die Erfindung betrifft die bevorzugte Oxydation von
Kohlenmonoxyd im Gemisch mit einem wasserstoffhaltigen
Gas und insbesondere ein verbessertes Verfahren
zur bevorzugten Oxydation von Kohlenmonoxyd in Ammoniak-'
synthesegas·
Auf Grund ,der Empfindlichkeit des bei der Ammoniaksynthese
verwendeten Katalysators muß das Prozeßgas
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außerordentlich rein und frei von Kohlenmonoxyd sein,
das als Katalysatorgift wirkt· Verfahren zum Entfernen der am Schluß verbleibenden 1 oder 2 # Kohlenmonoxyd
aus dem Ammoniaksynthesegas durch absorptive Abtrennung, z.B. durch Berieselung mit Kupferflüssigkeit
oder flüssigem Stickstoff sowie Verfahren unter Anwendung selektiver Oxydation über einem Katalysator
eines Metalls der Platingruppe sind bekannt· Hinsichtlich der letzteren Methoden, gegenüber denen, die
vorliegende Erfindung eine Verbesserung darstellt, wird auf die USA-Patentschriften 3 088 919, 3 216 782
und 3 216 783 Bezug genommen.
Bei der Durchführung des selektiven Oxydationsverfahrens wurde das Verfahren entweder bei Atmosphärendruck
und Temperaturen zwischen etwa 120 und 1600C
oder bei Drücken von 7 bis 14 atü (1OO bis 200 psig)
und einer Temperatur zwischen etwa 60 und 120°C betrieben· Auf einen Träger aufgebrachtes Platin ist
der bevorzugte Katalysator, jedoch sind Rhodium und Ruthenium ebenfalls geeignet. Im allgemeinen wird
Sauerstoff (oder Luft) in den Gasstrom (Ausströmgas aus der Verschiebungs- (shift)-Umwandlungsstufe) zur
Oxydierung des Kohleiimonoxyds eingeblasen, wobei das
Sauerstoff- zu Kohlenmonoxyd «ia-Verhältnis im Bereich
von 1 bis 3 y^^berschüssiger Sauerstoff wird unter
Umwandlung in Wasser vollständig verbraucht.
Bei der selektiven Oxydation von Kohlenmonoxyd in einem wasserstoffhaltigen Gasstrom wird die Selektivität
dadurch verbessert, daß die Oxydation bei niedri-
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geren Temperaturen, z.B. bei Raumtemperatur bis
zu etwa 10O0G und bei Drücken von Atmosphärendruck
bis 35,2 atü (500 psig) durchgerührt wird. Hit dem
Auftreten des Betriebs von Dampfrefonnern bei höherem
Druck und einer Verschiebungsumwandlung (shift conversion) bei niederer Temperatur ist Annoniaksynthese-.
gas nach dem Auswaschen von Kohlendioxyd bei Drücken von 28 bis etwa 35 atü (400 bis 500 psig) und Raumtemperatur
erhältlich. Ein derartiges Beschickungs-
**' gas kann zweckmäßig von CO-Verunreinigungen gereinigt
werden, indem ein Piatinkatalysator gemäß den vorstehend
angegebenen USA-Patentschriften oder ein Platinmetalle enthaltender Beschleunigungskatalysator gemäß der jetzt
fallengelassenen USA-Patentanmeldung 509 192 angewendet
wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß, wenn die selektive
Oxydation bei niedrigen Anfängstemperaturen, z.B.
von etwa 20 bis 1OO°C, durchgeführt wird, der Katalysator
aus Platinmetallen nach und nach desaktiviert wird, wodurch sich nach einem Betriebszeitraum geringe
C0-Oxydation ergibt.
Gemäß der Erfindung werden im Beschickungsgas der Ammoniaksynthese enthaltene Kohlenraonoxydverunreinigungen
selektiv oxydiert, indem das Beschickungsgas und zugesetzter Sauerstoff mit einem Katalysator eines
Metalls der Platingruppe bei einer Ausgangsreak- tionstemperatur von etwa 20 bis etwa 1OO°C in Berührung
gebracht wird, wobei sich eine Auslaßtemperatur aus dem katalytischen Reaktor auf Grund der selektiven
Oxydation des enthaltenen Kohlenmonoxyds von etwa 75
bis etwa 200°C ergibt, und der desakt!vierte Katalysator
alt dem weniger als 50 ppm, bezogen auf das Volumen,
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Kohlenmonoxyd enthaltenden Ausströmgas des selektiven Oxydationsverfahrens bei einer Temperatur von etwa
75 bis 2000C zur Wiederherstellung der katalytischen
Wirksamkeit des Katalysators periodisch behandelt wird. Diese Behandlung des Katalysators zur Reaktivierung
kann dadurch erreicht werden, daß Abströmgas aus der selektiven Oxydationsreaktion für die nachfolgende
Behandlung des Katalysatorbettes, wenn diese erwünscht ist, gespeichert wird oder indem die Strömung des Gasstroms zu dem katalytischen Reaktor periodisch umgekehrt
wird, wenn die Wirksamkeit des Katalysators für die selektive Oxydation abfällt. Nach einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird der Beschickungsgasstrom zum Katalysator umgekehrt, bevor der Kohlenmonoxydgehalt
des Ausströmgases 10 ppm, bezogen auf das Volumen, überschreitet.
In der Zeichnung ist ein Fließschema wiedergegeben, das ein einstufiges Verfahren unter Verwendung eines
auf einem Träger aufgebrachten Platinkatalysators zur Umwandlung von Kohlenmonoxyd in Kohlendioxyd in einem
gasförmigen Gemisch 'zeigt, das zur Ammoniaksynthese
verwendet wird.
In der Zeichnung wird ein Gemisch aue Dampf, Luft und
Naturgas aus einer nicht gezeigten Quelle durch Einlaßleitung 1 durch den Reformierofen 2 geleitet, wobei
das Gemisch durch Rohre wandert, die von außen erhitzt werden. Die Reformierung erfolgt bei einer Temperatur
von etwa 87O°C (1 6000P) und führt zur Bildung eines
Reformerausströmgases, das Wasserstoff, Kohlenmonoxyd
und Kohlendioxyd enthält. Eine geringe Menge an Kohlen-
. 4. -009841/184$
Wasserstoff, ζ·B. Methan verbleibt ebenfalls indem
Gas. Irgendwelcher Stickstoff, der mit der Luft eintrat, verbleibt in dem Gas. Die Ausströmgase wandern
aus dem Reformierungsofen durch Leitung 3 und werden in einem Wärmeaustauscher 4 dem Wärmeaustausch ausgesetzt,
wandern dann durch Leitung 5 zu einer Sättigungsvorrichtung
6, in der die Gase mit Wasserdampf gesättigt werden. Aus der Sättigungsvorrichtung werden
die Gase durch Leitung 7 zum Wärmeaustauscher 4 ge-
** führt und von dort durch Leitung 7a zu einem Kohlenmonoxydkonverter
oder Verschiebungskonverter 8, in ' | dem Kohlenmonoxyd mit Wasserdampf unter Bildung von
Kohlendioxyd und Wasserstoff umgesetzt wird. Die Ausströmgase aus dem Kohlenmonoxydkonverter verlassen
Konverter 8 durch Leitung 9 und werden dann durch Berührung mit Wasser in dem Erhitzerturm 10 gekühlt.
Die Ausströmgase aus dem Erhitzerturra 10 werden danr
über Leitung 11 durch einen Absorber 12 geleitet, dem das Kohlendioxyd in den Gasen durch Monoäthanolamin
absorbiert wird. Die aus dem Absorber 12 austretende Strömung, die normalerweise einen Druck von
etwa 14 bis. 35 atü (200 bis 500 psig) und eine a?empe- ·
ratur von 20 bis 1000C aufweist und als typische Ver- "
unreinigungen 0,1 & CO2, 0,5 # CO, 0,4 % Methan und
0,3 ^ Argon enthält, wird über Leitung 14 und Ventil
15 zu einer katalytischen Anlage 16 geleitet, die einen auf einem Träger aufgebrachten Platinmetällkatalysator
enthält. Luft wird zu der katalytischen Anlage 16 über nicht gezeigte Leitungen zugefügt, um das gewünschte
Sauerstoff- zu Kohlenmonoxydverhäitnis zu ergeben,
und wenn das Gasgemisch durch die katalytisch©
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Anlaße wandert, wird Kohlenmonoxyd zu Kohlendioxyd oxydiert, und eine kleine Menge Wasserstoff verbindet
sich mit überschüssigem Sauerstoff unter Bildung von
Wasser. Die Ausströmgase aus der katalytischen Anlage 16 können gewünschtenfalls gekühlt werden und werden
dann über Leitung 18 mit Ventil 19 zu dem zweiten Absorber 20 geleitet, in dem in den Gasen enthaltenes
Kohlendioxyd durch Honoäthanolamin absorbiert wird. Nach dem Durchgang durch den Gaskühler 22 können die
Gase direkt dem Ammoniaksyntheseverfahren zugeleitet werden. Normalerweise liefert die katalytisch^ Oxydation
einen gereinigten Gasstrom, der weniger als etwa 10 ppm Kohlenmonoxyd enthält.
Die katalytische Anlage 16 ist mit einer Umkehrstrom-'
leitung 24 mit Ventil 25 und Leitung 26 mit Ventil 28
versehen. Während des Verlaufs der katalytischen Oxydation in der Oxydationsanlage 16, die bei einer Einlaßteraperatur
von etwa 20 bis 1OO°C und einer Auslaßtemperatur von 75 bis 2000C (auf Grund der exothermen
Wärme der Oxydationsrcaktion) durchgeführt wird, wird der Katalysator langsam desaktiviert, und nach einem
Zeitraum zeigen die Ausströmgase aus der katalytischen Anlage einen scharfen Abfall hinsichtlich der
Menge an nicht umgewandeltem Kohlenmonoxyd, z.B. etwa 10 ppm bis 50 ppm oder höher. Wenn dies eintritt, werden
die Ventile 15 und 19 geschlossen, und der durch
Leitung 14 aus dem Absorber 12 geleitete Gasstrom wird
in der Oxydationsanlage 16 umgekehrt und durch Ventil 25 und Leitung 24 durch die Oxydationsanlage 16 in entgegengesetzter
Richtung zu der anfangs verwendeten Richtung geführt. Nachdem das Ventil 28 offen ist, wird der
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Abstrom aus dem Oxydationsreaktor über Leitung 26
und Leitung 18 zum zweiten Absorber 20 geleitet. Auf Grund der gesteigerten Temperatur des Abstroms
aus dem Oxydationsreaktor während dieses Zeitraums umgekehrter Strömung werden Verunreinigungen, die
sich auf dem Katalysator im. Reaktor 16 während der Strömung in normaler Richtung abgelagert haben, desorbiert
und/oder entfernt. Periodisch und nachdem die Wirksamkeit der katalytischen Reaktion nachläßt,
was sich durch CO-Durchbruch im Abstrom des Oxydationsreaktors zeigt, werden diev Ventile 25 und 28
geschlossen, Ventile 15 und 19 geöffnet,und die normale Strömung durch den Oxydationsreaktor wird wieder
aufgenommene
Das Einlaßgas, das erfindungsgemäß behandelt wird,
kann, bezogen auf Trockenbasis und vor der Zugabe von Sauerstoff oder Luft, etwa 0,01 bis etwa 5 Volumenprozent
Kohlenmonoxyd, O bis etwa 5 # Kohlendioxyd,
etwa 50 bis etwa 99 % Wasserstoff und 0 bis
50 Volumenprozent Stickstoff enthalten. !Typische Gasgemische enthalten 0,5 bis 3 # CO, 50 bis 75 # H 2»
bis 40 $6 N2 und 0 bis 5 # CO2. Wenn das Gas zur Anrao.-niaksynthese
verwendet werden soll, liegt das Verhältnis von .wasserstoff zu Stickstoff bei etwa 3 zu
Die Temperatur in der den Katalysator eines Metalls
der Platingruppe enthaltenden katalytischen Anlage
betragt im allgemeinen etwa 20 bis 1000C am Gaseinlaß
und etwa 75 bis 2000C am Auslaß· Die katalytische
Oxydation von enthaltenem Kohlenmonoxyd kann, wenn das Kohlennonoxyd in Mengen oberhalb von etwa 1 $ in dem
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zu behandelnden Gas enthalten ist, einen unangemessen hohen Temperaturanstieg auf Grund des exothermen
Charakters der Oxydationsreaktion ergeben. In diesem Fall kann gegebenenfalls mehr als ein katalytischer
Reaktor in Reihe mit dazwischenliegender Kühlung des teilweise oxydierten Gases verwendet werden.
Im allgemeinen wird die katalytisch^ Oxydation bei einem Druck von Atraosphärendruck bis etwa 35 atü
(500 psig) und bei einer Raurageschwindigkeit der über
den Oxydationskatalysator gleiteten GaseVoη etwa
1 000 bis 50 000 Kubikmeter Gas Je Stunde je Kubikmeter
Katalysator, vorzugsweise 5 000 bis 30 000 Kubikmeter
Gas je Stunde . je Kubikmeter Katalysator, durchgeführt. Es wird genügend Sauerstoff oder Luft zu dem
Gasgemisch zugeführt, um ein Sauerstoff- zu Kohlenmonoxydverhältnis,
bezogen auf das Volumen, von etwa 0,5 zu 1 bis 3 zu 1, vorzugsweise etwa 0,75 zu 1, bezogen
auf Trockenbasis, herzustellen. Der verwendete Katalysator ist ein Metall der Platingruppe, einschließlich
Platin, Rhodium und Rhutenium auf einem geeigneten Träger, und zu geeigneten Katalysatorträgern gehören
Aluminiumoxyd, Kieselsäure, Silicagel, Diatomeenerde, Ton und dergleichen. Die Katalysatormetalle
können im Bereich von etwa 0,1 bis 5 Gew.-# des katalytischen
Metalls und Trägere, vorzugsweise in etwa 0,05 bis 2 # vorliegen. Der auf einen Träger aufgebrachte
Katalysator kann in irgendeiner geeigneten Weise, z.B. durch Behandlung des Trägere oder der Grundlage
mit einer Lösung einer geeigneten Metallverbindung und anschließender Reduktion der Metallverbindung
«Uni Metall, hergestellt werden·
ORIGINAL INSPECTED
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Ein besonders wirksamer Katalysator, der zurkataly—
tischen Oxydation von Kohlenmonoxyd verwendet v/erden kann und der die Einleitung der Oxydationsa?eäktion
bei niedrigen Temperaturen, ζ„B. bei Raumtemperatur,
und bei niedrigen Verhältnissen von Sauerstoff zu Kohlenmonoxyd gestattet, besteht aus einem auf einen
Träger aufgebrachten Platinkatalysator, der mit geringen
wirksamen Mengen eines Oxyds eines Metalls aus Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel oder Gemischen davon
aktiviert bzw· beschleunigt ist. Die Verwendbarkeit derartiger Katalysatoren ist in der fallengelassenen
USA-Patentanmeldung 509 192 beschrieben,
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Kohlenmonöxydgehalt'wasserstoffhaltiger
Gase, ζ,B-. solche, die'bei der Ammoniaksynthese verwendet werden, in
einfacher WέisS auf weniger als 10 ppm herabgesetzt
werden, und natih Entfernen von während des Verfahrens
gebildetem Kohl'endioxyd sind diese gereinigten Gasströme
zur Verwendung in der Ammoniaksynthese geeignet, ohne daß eine nachteilige Einwirkung auf den
Synthesekatalysator ausgeübt wird. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine kontinuierliche
und dauernde Wirksamkeit des Oxydationskatalysators ■
ohne Verlust auf Grund von Ausfallzeit zum Ersatz von verbrauchtem Katalysator oder auf Grund einer
Unterbrechung des Verfahrens zur Regenerierung des Katalysators mit Regenerierungsgasen, ζ„Β. heiße Luft
gemäß der USA-Patentschrift 5 088 919, erreicht.
Die Erfindung wird weiter anhand der folgenden; spezifischen Beispiele erläutert· "
- 9 -009841/1844
no
Ein zylindrischer Reaktor aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 12,7 mm (1/2 inch) wurde mit
Einrichtungen zur Umkehrung der Strömung des Beschickungsgases durch den Reaktor und mit Einrichtungen
zur Probenahme von Gas an jedem Ende des Reaktors
versehen. Der Reaktor wurde mit 50 ml eines Katalysators
aus 0,3 Gew.-^ Pt und 0,05 cp Fe auf Aluminiumoxydzylindern
von 3,2 mm (i/8 inch) beschickt.
Das verwendete Besohickungsgas hatte die folgende Zusammensetzung:
GO2 | 0,1 |
CO | 0,5 |
°2 | 0,37 |
N2 | 4,0 |
H2 | Rest |
Das Beschickungsgas wurde in den katalytischen Reaktor bei einem Druck von 14 atü (200 psig) und
—1
einer Raumgeschwindigkeit von 10 000 h eingeführt, wobei die Temperatur am Einlaß bei Raumtemperatur
(200C) lag. Die Auslaßgastemperatur betrug etwa 750C
Wenn der aus dem Oxydationsreaktor austretende Gasstrom auf Grund der Analyse einen Durchbruch an Koh-r
lenmonoxyd zeigte, wurde die Richtung des Beschickungsgasstroms umgekehrt. Nach Bedarf wurde dieses Verfahren
periodisch durchgeführt. Die Ergebnisse der Gasströmungsumkehrung
sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
- 10 009841/1844
Bemerkungen Versuchszeit Ausströmungsgas .-. (hV CO fotim>
24 | <2 | ■ * | 30 |
356 | <2 | 30 | |
480 | <2 | ||
525 | 26 | ||
648 | <2 | ||
816 | 500 | ||
864 | <2 | ||
985 | 50 | ||
1015 | |||
1045 |
Gasströmung umgekehrt Gasströmung umgekehrt
Gasströmung umgekehrt Gasströmung umgekehrt Versuch beendet ■
Wie ersichtlich wurde die Lebensdauer des Katalysar
tors durch Umkehrung der Richtung der Beschickungsgasetrömung gesteigert« *
'
Beispiel 2
Das in dem vorstehenden Beispiel beschriebene Verfahren wurde nit der Ausnahme wiederholt, daß der
Gasstrom jede 24 Stunden, selbst obgleich der austretende ,Gasstrom keine Verringerung der Aktivität durch
0096417.1344
CO-Durchbruch anzeigte,umgekehrt wurde· Die Ergebnisse
sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Gasstrom, täglich umgekehrt
Versuchszeit (h) Austretender Gasstrom CO (ppm)
24 <2
560 <2
480 <2
600 <2
960 . ' <2
1520 . <2
1680 <2
2040 <2
2400 <2 · ·
2760 N <2
5120 <2
5570 <2
dauert noch an
Wie sich aus diesem Beispiel ergibt, ist die Umkehrung des Beschickungsstroms vor irgendeinem
CO-Durchbruch besonders günstig zur Verlängerung der Lebensdauer des Oxydationskatalysators·
- 12 009841/18U
Claims (1)
- B - 985 j>. April 1970"73PatentansprücheVerfahren zur selektiven Oxydation von Kohlenmonoxyd in einem Beschickungsgas, das etwa 0,01 bis etwa 5 Volumenprozent Kohlenmonoxyd, etwa 50 bis etwa 99 # Wasserstoff, O bis etwa 5 $ Kohlendioxyd und als Rest Inertgas enthält, wobei das Beschickungsgas im Gemisch mit Sauerstoff in einer Menge zur Herstellung eines Molverhältnisses von etwa 0,5 * 1 bis 3 ·· 1 Mol Sauerstoff Je Mol Kohlenmonoxyd mit einem auf einen Träger aufgebrachten Katalysator eines Metalls der Platingruppe bei einem Druck von Atmosphärendruck bis etwa 55 atü (500 psig) und einer Einlaßtemperatur zwischen etwa 20 und 1000C in Berührung gebracht wird, wobei der Katalysator fortschreitend für die selektive Oxydation desaktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der desaktivierte Katalysator mit aus der selek tiven Oxydationsreaktion kommenden Ausströmgasa ., die weniger als 50 ΡΪ»» bezogen auf das Volumen, an Kohlenmonoxyd enthalten, bei einer Temperatur von etwa 75 bis etwa 2000C unter Wiederherstellung der katalytischer! Wirksamkeit des Katalysators periodisch behandelt wirde».2· Verfahren nach Anspruch 1$ dadurch gekennzeichnet, daß der desaktivierte Katalysator mit Aus-· strömgasen aus der selektiven Oxydationsreaktion durch periodische Umkehrungder ftichtung des Beschickungsgasstroms zu dem Katalysator behandelt \ wird· ■■''-·- 15 -0098A1/1844■-; BAD ORIGINALVerfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschickungsgasstrom umgekehrt wird, bevor der Kohlenmonoxydgehalt der Ausströmgase aus dem Katalysatorbett 10 ppm, bezogen auf das Volumen, überschreitet«BAD ORIGINAL f009841/1844
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