DE677103C - Process for the conversion of carbon oxides or gas mixtures containing carbon oxides with water vapor - Google Patents
Process for the conversion of carbon oxides or gas mixtures containing carbon oxides with water vaporInfo
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Description
r. Ind. Eigendom
13 JUL. 1939 ■r. Ind. Self-dom
13 JUL. 1939 ■
AUSGEGEBEN AM
19. JUNI 1939ISSUED ON
June 19, 1939
REICHSPATENTAMT .'REICH PATENT OFFICE. '
PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING
KLASSE 12 i GRUPPE loiCLASS 12 i GROUP loi
O 20531 IVb/12 i O 20531 IVb / 12 i
mit Wasserdampfwith steam
Patenterteilung bekanntgemacht am 25. Mai 1939Patent granted on May 25, 1939
Die Umsetzung des KoKLenoxyds bzw. kohlenoxydhaltiger Gase mit Wasserdampf soll nach der GleichungThe conversion of carbon dioxide or gases containing carbon dioxide with water vapor should according to the equation
CO 4-H2 O ==^ CO2 + H2 + 10 400 cal,CO 4-H 2 O == ^ CO 2 + H 2 + 10 400 cal,
dem sog. Wassergasgleichgewicht, als Endprodukte Kohlensäure mind Wasserstoff liefern. Die Werte der Gleichgewichtskonstanten sind für das Temperaturgebiet von 300 bis iooo0 bekannt. Diese Werte lassen erkennen, daß bei tieferen Temperaturen Kohlensäure und Wasserstoff, bei höheren Temperaturen Kohlenoxyd und Wasserdampf die beständigsten Teile des Wassergasgleichgewichtes sind. DieTechnik war denn auch von jeher bestrebt, die Temperatur der Umsetzung so tief als möglich· zu wählen, wenn die Gewinnung von Wasserstoff beabsichtigt war. Da jedoch mit sinkender Temperatur die Einstellung des Gleichgewichtes sich immer mehr verlangsamt, bis sie ganz ausbleibt, besteht die Notwendigkeit, die Reaktion mit Hilfe von Katalysatoren zu beschleunigen. Als solche werden in der Technik Eisenoxydkatalysatoren mit aktivierenden Zusätzen verwendet.the so-called water gas equilibrium, delivering carbonic acid and hydrogen as end products. The values of the equilibrium constants are known for the temperature range from 300 to iooo 0th These values show that at lower temperatures carbonic acid and hydrogen, at higher temperatures carbon dioxide and water vapor are the most stable parts of the water gas equilibrium. The technology has always endeavored to choose the temperature of the reaction as low as possible if the production of hydrogen was intended. However, since the establishment of the equilibrium slows down more and more as the temperature falls, until it does not occur at all, it is necessary to accelerate the reaction with the aid of catalysts. Iron oxide catalysts with activating additives are used as such in the art.
Ferner sind für die katalytische Oxydation von Wassergas Katalysatoren bekannt, die aus einem Gemisch von Magnesiumoxyd und Kohle bestehen (vgl. die französische Patentschrift 697 489, in welcher ferner in Beispiel 2 ein Gemisch von Magnesiumoxyd, Alkalicarbonat und Kohle beschrieben ist, wobei aber das ,zugesetzte Alkalicarbonat nur als Bindemittel dient). Mit Hilfe dieser äußerst aktiven Katalysatoren kann eine vollständige Einstellung des Gleichgewichtes mit praktisch erträglicher Geschwindigkeit unter Mitverwendung wirtschaftlich tragbarer Wasserdampfüberschüsse bei Temperaturen erzielt werden, bei denen im Gleichgewicht nur solche Mengen Kohlenoxyd vorhanden sind, die dem Verwendungszweck des Gases entsprechend darin verbleiben können. Beim Arbeiten mit diesen Katalysatoren ist daher eine Herabsetzung der Kohlensäuretension durch ständige Entfernung der Kohlensäure mit kohlensäurebindenden Stoffen überflüssig. Es kann ausgeschlossen werden, daß die im Katalysator enthaltene Kohle eine solche Wirkung ausübt, weil auch die kohlenhaltigen Kataly-Furthermore, catalysts are known for the catalytic oxidation of water gas which consist of a mixture of magnesium oxide and carbon (cf. the French patent 697 489, in which further in Example 2 a mixture of magnesium oxide, alkali carbonate and charcoal is described, but the added alkali carbonate only as Binder is used). With the help of these extremely active catalysts, a complete Adjustment of the equilibrium with practically tolerable speed with use economically viable excess water vapor can be achieved at temperatures at which in equilibrium only such amounts of carbon oxide are present, which correspond to the purpose of the gas can remain in it. When working with these catalysts, therefore, a reduction in carbon dioxide tension is achieved constant removal of the carbonic acid with carbonic acid binding substances superfluous. It it can be ruled out that the carbon contained in the catalyst has such an effect because the carbonaceous catalysts
*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:*) The patent seeker stated as the inventor:
Dr. Fritz Hansgirg in Dairen, Chosen.Dr. Fritz Hansgirg in Dairen, Chosen.
satoren ohne periodische Regenerierung oder Nachschub von Kohle im Dauerbetrieb verwendbar sind.Sators can be used in continuous operation without periodic regeneration or supply of coal are.
In der genannten französischen Patentschrift ist auch die Möglichkeit des Arbeitens unter Druck vorgesehen (vgl. auch die amerikanische Patentschrift ι 866 246). Doch wird bei der verhältnismäßig noch hohen Temperatur von 5000 gearbeitet.The aforementioned French patent also provides the possibility of working under pressure (cf. also American patent ι 866 246). But the relatively high temperature of 500 0 is used.
Der Erfindung gemäß wird nun die Umsetzung von Kohlenoxyd oder kohlenoxydhaltigen Gasgemischen mit Wasserdampf im Temperaturgebiet von etwa 400 bis zu 3200C hinab vorgenommen.The reaction of carbon monoxide or gas mixtures kohlenoxydhaltigen will now be made down with water vapor in the temperature range of about 400 up to 320 0 C according to the invention.
Als Katalysator dient ein. Gemisch1 von Kohle, kaustisch gebranntem Magnesit und fein gemahlenem calciniertem Kaliumcarbonat. Beispielsweise ist das Verhältnis der letzteren beiden 3 : 1 ,bis 5 :1, wobei auf je einen Teil dieser Mischung 3 bis 5 Teile Holzbohle entfallen. Diese Mischung wird in fein, gemahlenem Zustand mit wäßriger Asphaltemulsion körnig verformt und unter Luftabschluß bei 600 bis 8oo° erhitzt.A serves as a catalyst. Mixture 1 of coal, caustic burned magnesite and finely ground calcined potassium carbonate. For example, the ratio of the latter two is 3: 1 to 5: 1, with 3 to 5 parts of wooden plank being used for each part of this mixture. This mixture is shaped into a granular form in a finely ground state with an aqueous asphalt emulsion and heated at 600 to 800 ° with the exclusion of air.
Die Konversion des Kohlenoxyds zu Kohlensäure wird im angegebenen Temperaturgebiet bei Drücken von. beispielsweise 6 bis 20 atü durchgeführt, wobei die angewendeten Mengen. Wasserdampf 1,5 bis 2 Räumteile, bezogen auf jeden Raumteil Kohlenoxyd des . Ausgangsgases, betragen können.The conversion of carbon dioxide to carbonic acid takes place in the specified temperature range when you press. carried out for example 6 to 20 atmospheres, with the applied Amounts. Water vapor 1.5 to 2 clearing parts, based on each part of the space carbon dioxide des. Starting gas, can be.
Da die Wassergasreaktion, nach! beiden Richtungen hin ohne Änderung der Molzahl bzw. des Volumens erfolgt, ist das Gleichgewicht unabhängig vom Druck. Dennoch ist im Schrifttum der Gedanke ausgesprochen, die Umsetzung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf unter erhöhtem Druck (4 bis 40 Atm. und darüber) vorzunehmen, !um an Reaktionsraum zu sparen und den chemischen Umsatz in der Zeiteinheit zu erhöhen. Diesen zu erwartenden Vorteilen der Anwendung erhöhten Druckes ständen aber beim Arbeiten mit den bekannten Katalysatoren sehr erhebliehe Nachteile gegenüber.Since the water gas reaction, after! both Direction without changing the number of moles or the volume is the equilibrium regardless of pressure. Nevertheless, the thought is expressed in the literature, the conversion of carbon monoxide with water vapor under increased pressure (4 to 40 atm. and above) to save on reaction space and chemical conversion to increase in the unit of time. Increased these expected advantages of the application However, the pressure would be very significant when working with the known catalysts Disadvantages compared to.
Zunächst wird die Rückkohlung nach der Gleichung 2 GO ^=^ C -j- CO2 durch Überdruck gesteigert: Da 2 Volumina Ausgangsgas in ι Volumen Endgas übergehen, ist diese Reaktion vom Druck in dem Sinne abhängig, daß die Bildung von Kohlenstoff mit steigendem Druck zunimmt. Tatsächlich tritt, wenn man die Umsetzung des Kohlenoxyds mit Wasserdampf mit Hilfe von Katalysatoren der Eisengruppe bei tiefen Temperaturen unter Überdruck vornimmt, manchmal eine starke Kohlenstoffausscheidung ein, die den Katalysator unbrauchbar macht. Führt man beispielsweise die Konversion unter Anwendung von. Eisenoxydkatalysatoren mit einem Ausgangsgemisch von. 4o<y0 Kohlenoxyd und 60 0/0 Wasserstoff schon bei einer Temperatur von 5000 und einem Druck von 20 atü durch, so beträgt, wie durch Versuche festgestellt wurde, die abgeschiedene Kohlenstoffmenge 8 o/o des gesamten in die Reaktion eingeführten. Kohlenstoffs.First, the recarburization is increased by excess pressure according to the equation 2 GO ^ = ^ C -j- CO 2 : Since 2 volumes of starting gas pass into ι volume of end gas, this reaction is dependent on the pressure in the sense that the formation of carbon with increasing pressure increases. In fact, if the reaction of carbon monoxide with water vapor with the aid of catalysts of the iron group is carried out at low temperatures under excess pressure, there is sometimes a large amount of carbon precipitated, which makes the catalyst unusable. For example, if the conversion is carried out using. Iron oxide catalysts with a starting mixture of. 40 <y 0 carbon oxide and 60 0/0 hydrogen at a temperature of 500 0 and a pressure of 20 atmospheres, so, as has been determined by experiments, the deposited amount of carbon is 8 o / o of the total introduced into the reaction. Carbon.
Im Gegensatz hierzu tritt bei Verwendung eines aus kaustisch gebranntem Magnesit, Kohle und Kaliumcarbonat bestehenden Katalysators selbst bei den für die Umsetzung des C O zu C O2 und H2 günstigsten Temperaturen von etwa 4000 und darunter eine Rückkohlung auch dann nicht ein, wenn unter Überdruck gearbeitet wird.In contrast, when using a group consisting of caustic calcined magnesite, coal and potassium carbonate catalyst including a Rückkohlung occurs even with the best for the reaction of CO to CO 2 and H 2 temperatures of about 400 0 and even then not occur when worked under positive pressure will.
Ferner werden auch Kondensreaktionen, z.B. die Methanbildung, durch Druckerhöhung begünstigt. Sowohl bei der direkten Synthese aus Wasserstoff und Kohlenoxyd als auch bei der Synthese aus Wasserstoff und Kohlensäure geht die Methatibildung unter Volumverminderung vor sich. Von einer Druckerhöhung ist daher theoretisch eine Verschiebung des Gleichgewichts zugunsten der Methanbildung zu erwarten. Die gleiche Wirkung hat, zufolge der positiven Wärmetönung der Reaktion, die zur Methanbildung führt, eine Erniedrigung der Arbeitstemperatur.Furthermore, condensation reactions, e.g. the formation of methane, are caused by an increase in pressure favored. Both in the direct synthesis from hydrogen and carbon oxide as Methat formation is also lost in the synthesis from hydrogen and carbonic acid Volume reduction in front of you. A pressure increase is therefore theoretically a shift of equilibrium in favor of methane formation is to be expected. Same effect has, due to the positive warmth of the reaction that leads to methane formation, a lowering of the working temperature.
Überraschenderweise wird auch 'dieser Übelstand bei Verwendung des für das Verfahren vorliegender Erfindung benutzten Katalysators praktisch vollkommen, vermieden. Versuche, die zum Vergleich der Methanbildung bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung und bei Eisenoxydkataly- satoren unter Überdruck vorgenommen wurden, zeigten deutlich den Fortschritt, den die Erfindung in dieser Hinsicht darstellt. Sie haben ergeben, daß einer Methanbildung von 2,3 0/0j die sich bei Anwendung 'dieser Eisenoxydkatalysatoren einstellte, wenn ein. Ausgangsgemisch von 40 <y0 CO und 60 0/0 Wasserstoff bei einer Temperatur von 500° C und einem Druck von 20 atü der Konvertierung unterworfen wurde, eine Methanbildung von nur ο, ι o/o gegenübersteht, wenn unter annähernd gleichen Bedingungen mit Magnesiumoxyd - Kohle - Kaliumcarbonat - Katalysator gearbeitet wurde. Beidem Verfahren gemäßder Erfindung ist, selbst wenn man unter Beibehaltung der übrigen Bedingungen mit der Arbeitstemperatur auf 3600 C herabgeht, nur 0,90/0 Methan im Endgemisch vorhanden. Eisenoxydkatalysatoren sind bei 360° C nicht mehr wirksam, weshalb Vergleichsversuche mit diesen Katalysatoren bei so niederer Temperatur entfallen.Surprisingly, this drawback is also practically completely avoided when the catalyst used for the process of the present invention is used. Experiments which were carried out to compare the methane formation when using the method according to the invention and with iron oxide catalysts under excess pressure clearly showed the progress which the invention represents in this regard. They have shown that a methane formation of 2,3 0/0 j which are 'this Eisenoxydkatalysatoren ceased in use, when a. Starting mixture of 40 <y 0 CO and 60 0/0 hydrogen at a temperature of 500 ° C and a pressure of 20 atm was subjected to the conversion, a methane formation of only ο, ι o / o is opposed when under approximately the same conditions with magnesium oxide - Coal - potassium carbonate - catalyst was worked. In the method according to the invention is, even if one goes down while maintaining the other conditions of the working temperature to 360 0 C, only 0.90 / 0 methane present in the final mixture. Iron oxide catalysts are no longer effective at 360 ° C, which is why comparative tests with these catalysts at such a low temperature are not necessary.
Eine weitere Überlegenheit des neuen Verfahrens gegenüber dem Arbeiten mit Eisenoxydkatalysatoren unter erhöhtem Druck besteht, wie weitere Versuche, die in technischem Maßstabe durchgeführt wurden, gezeigt haben,Another advantage of the new process compared to working with iron oxide catalysts exists under increased pressure, as further tests carried out on a technical scale have shown,
darin, daß der Dreistoffkatalysator selbst nach monatelanger Verwendung unter erhöhtem Druck keinerlei Änderung seines mechanischen Gefüges erleidet, wogegen die Eisen-5 oxydkatalysatoren nach einigen Stunden unter Änderung ihrer Farbe zum Teil zu Pulver zerfallen. in that the ternary catalyst even after months of use under increased Pressure does not undergo any change in its mechanical structure, whereas the iron-5 Oxide catalysts partially disintegrate into powder after a few hours, changing their color.
Dergestalt zeitigt das' Verfahren gemäß der Erfindung ein technisches Ergebnis von hervorragender Bedeutung. Es ermöglicht erst die vollständige Ausnutzung der besonderen Eigenschaft des erwähnten Katalysators, daßThus, the method according to the invention produces a technical result of excellent Meaning. It only enables the full exploitation of the special property of the catalyst mentioned that
" die vollständige- Gleichgewichtseinstellung im Temperaturbereich unter 400 bis 320° C herab noch erreichbar ist, indem die unvermeidlich, eintretende Verminderung der Geschwindigkeit durch Druckerhöhung wettgemacht werden kann. Man kommt so mit höchster Wirtschaftlichkeit in bezug auf den Wasserdampfbedarf zu optimalen Ergebnissen."the complete establishment of equilibrium in the temperature range below 400 to 320 ° C can still be achieved by the inevitable, occurring decrease in speed can be compensated for by increasing the pressure. In this way, you get the highest level of economy in terms of the water vapor requirement to optimal results.
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