DE972411C - Verfahren zur Durchfuehrung katalytischer Gasumsetzungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Durchführung katalytischer Gasumsetzungen Katalytische Gasumsetzungen werden heute vielfach so durchgeführt, daß das umzusetzende Gasgemisch, im allgemeinen bei erhöhter Temperatur und sehr häufig auch bei erhöhtem Druck, von unten in einen Reaktionsraum eingeführt wird, in welchem der Katalysator mehr oder weniger lose aufgeschüttet ist. Das Gasgemisch durchströmt das Katalysatorvolumen, und dabei finden dann die beabsichtigten Reaktionen, die exotherm oder exotherm + endotherm verlaufen können, statt. Es ist bekannt, Erdgas, das im wesentlichen aus Methan besteht, mit Luft oder auch mit einem Sauerstoff-Wasserdampf-Gemisch in einem mit einem geeigneten Katalysator gefüllten Schacht zu einem Gasgemisch umzusetzen, welches wegen seines Gehaltes an Wasserstoff und Kohlenoxyd für die Durchführung von Synthesen, wie Kohlenwasserstoffsynthesen oder Ammoniaksynthesen, geeignet ist.
• Das Ziel besteht hierbei im wesentlichen darin, eine möglichst vollständige Umsetzung bei einer möglichst hohen Durchsatzleistung zu erreichen.
• Das in den Kontaktraum eingeführte Gasgemisch bahnt sich einen Weg durch die Kontaktfüllung, so wie es die Schüttung gerade ermöglicht. Es kann deshalb vorkommen, daß gewisse Zonen der Kontaktfüllung verhältnismäßig stark mit dem umzusetzenden Gasgemisch beaufschlagt werden, während in anderen Zonen keine oder nur geringfügige Umsetzungen stattfinden. Die Folge davon ist eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Kontaktraum und insbesondere die Ausbildung von Kontaktnestern, in denen wesentlich höhere Temperaturen herrschen als für die beabsichtigten Umsetzungen erforderlich oder zulässig sind. Um solche örtlichen Überhitzungen zu vermeiden, wird man den Durchsatz der Kontakteinrichtung unter Umständen beträchtlich herabsetzen müssen, was mit einer Verteuerung des gesamten Umsetzungsprozesses verbunden ist.
• Solange der Querschnitt des Kontaktraumes nicht allzu groß ist, beispielsweise unterhalb 50 cm bleibt, ist diese Schwierigkeit nicht allzu kritisch, da innerhalb der Kontaktfüllung ein gewisser Temperaturausgleich stattfinden kann. Neuerdings sind jedoch Einrichtungen, beispielsweise zur katalytischen Umwandlung von Erdgas, bekanntgeworden, bei denen der Kontaktraum einen lichten Durchmesser von 4 m und mehr besitzt. Bei Kontakträumen mit einem so großen freien Querschnitt ist die Verteilung des umzusetzenden Gasgemisches auf den freien Querschnitt so unregelmäßig, daß der Betrieb einer so großen Kontakteinrichtung im allgemeinen nicht mehr zu beherrschen ist.
• Es ist ferner bekannt, den freien Querschnitt des den Katalysator aufnehmenden Schachtes durch in der Strömungsrichtung des Gasgemisches liegende parallele und gegeneinander gasdichte Kanäle, die an ihrem unteren Ende an einen gemeinsamen Gaszuführungsraum angeschlossen sind, aufzuteilen.
• Die Unterteilung des freien Querschnittes des Schachtraumes in eine Anzahl gegeneinander abgedichteter Kanäle bringt zweifellos eine Verbesserung dadurch, daß das Gas nunmehr nicht mehr in der gesamten Kontaktfüllung umhervagabundieren kann, sondern an die Wege gebunden ist, die die Kanäle dem Gas vorschreiben.
• Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Unterteilung des ganzen Querschnittes durch einzelne Gaskanäle insofern nicht immer voll befriedigt, als auch jetzt noch unter Umständen sehr unterschiedliche Temperaturen innerhalb der Kanäle auftreten können.
• Man hat deshalb auch schon die einzelnen Kanäle durch jedem einzelnen Kanal zugeordnete Gasleitungen mit Gas beaufschlagt, wobei die Gaszufuhr entsprechend den Strömungsverhältnissen in dem betreffenden Kanal individuell geregelt wird. Eine solche Einrichtung erfordert jedoch einen unter Umständen beträchtlichen apparativen Aufwand.
• Es ist ferner bekannt, den Strömungswiderstand in den einzelnen Kanälen dadurch gleichmäßiger zu machen, daß man jedem Kanal einen Strömungswiderstand vorschaltet, der für alle Kanäle gleich und mindestens ebenso groß, vorzugsweise wesentlich größer ist als die Strömungswiderstände der einzelnen Kontaktfüllungen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es mit einem großen Druckverlust in den Vorschaltwiderständen verbunden ist.
• Die Erfindung löst nun das vorliegende Problem auf vergleichsweise einfache Weise. Sie geht aus von der bekannten Anordnung, bei der die Kanäle an ihrem unteren Ende mit einem allen Kanälen gemeinsamen Gaszuführungsraum verbunden sind, so daß alle Kanäle mit demselben Gasdruck beaufschlagt werden. Der unterschiedliche Strömungswiderstand, der möglicherweise innerhalb der Kanäle infolge der losen Aufschüttung der Katalysatormasse herrscht, wird nun gemäß der Erfindung dadurch ausgeglichen, daß die einzelnen Kanäle bei Betriebsbeginn zunächst nur bis zu einem solchen Stand mit Katalysatormasse aufgefüllt werden, daß ein freier Raum oberhalb der Füllung verbleibt und daß während des Betriebes den Kanälen einzeln so viel Katalysatormasse zugegeben wird, daß sich die Reaktionstemperatur in allen Kanälen auf im wesentlichen den gleichen Wert einstellt.
• Die Temperatur kann z. B. durch besondere Fühler überwacht werden. Es ist jedoch auch möglich, die Temperatur an den Ausgängen der Kanäle durch optische Kontrolle nachzuprüfen, was natürlich nur und dann besonders einfach möglich ist, wenn die Ausgangstemperatur so hoch ist, daß der Katalysator zum Glühen kommt. Die Auffüllung der Katalysatormasse auf die einzelnen Kanäle zwecks Erreichung einer gleichmäßigen Ausgangstemperatur kann dabei durch gegebenenfalls wassergekühlte Rohre erfolgen, die durch in der Decke des Reaktionsraumes befindliche Öffnungen bis in die Austrittsöffnungen der Kanäle eingeführt werden. Der Betrieb der Einrichtung braucht dabei nicht unterbrochen zu werden.
• Die Zuführung des umzusetzenden Gasgemisches zu den Kanälen kann am besten in an sich bekannter Weise so erfolgen, daß man in den Kanälen an deren mit dem umzusetzenden Gasgemisch beaufschlagten Enden durchlöcherte, haubenartige Ansätze vorsieht, durch die das Gasgemisch, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Füllmaterialschicht, gleichmäßig auf den Querschnitt jedes Kanals verteilt wird.
• Die Unterteilung des freien Querschnittes des Reaktionsraumes in eine Anzahl von Einzelkanälen ist mit einer Verringerung des für die Gasströmung in Frage kommenden Querschnittes verbunden, wobei das Ausmaß der Querschnittsverringerung abhängig ist von der Anzahl und auch der Art der Kanäle. DieAnzahl der Kanäle insbesondere richtet sich nach der absoluten Größe des zu unterteilenden Querschnittes und ferner auch nach derKörnigkeit des einzufüllenden Kontaktmaterials.
• Die Form der Kanäle ist an sich gleichgültig. So kann man die Kanäle beispielsweise aus aufeinandergestellten sechskantigen Lochsteinen bilden, wobei das Wandmaterial solcher Kanäle etwa 50°/o des Querschnittes des Reaktionsraumes einnimmt.
• Man kann die Kanäle aber auch durch parallel laufende Wände bilden, die sich mit senkrecht dazu verlaufenden Wänden schneiden, so daß Kanäle mit viereckigem Querschnitt entstehen. Bei solchen Kanälen ist die Verringerung des freien Querschnittes geringer. Die Wirkung der Querschnittsverringerung durch die Wandungen der Kanäle wird aber im praktischen Betrieb vornehmlich dadurch kompensiert, daß man den Kontaktraum mit einer wesentlich höheren Durchsatzleistung, häufig mit der doppelten Durchsatzleistung, betreiben kann, weil infolge der gleichmäßigen Gasführung über den ganzen Querschnitt eine entsprechend gleichmäßige Temperaturlage in allen Teilen der Kontaktmasse gesichert ist.
• Bei der Umsetzung von Erdgas in ein Wasserstoff und Kohlenoxyd enthaltendes Gasgemisch wird beispielsweise ein Luft- und Gasgemisch mit einer Temperatur von 3000 C in die Kanäle von unten eingeführt. In einer gewissen Zone begrenzter Größe oberhalb der Einführungsstelle findet dann unter Einfluß des Katalysators die teilweise Verbrennung des Erdgases zu Kohlendioxyd und Wasserdampf statt, wobei sich eine Temperatur von etwa goo0 C einstellt. Das heiße Gas-Dämpfe-Gemisch durchströmt nun die Hauptlänge des Katalysators in den einzelnen Kanälen, und es findet dabei die Bildung von Wasserstoff und Kohlenoxyd unter gleichzeitiger Wärmebindung statt, so daß die Temperatur am Ausgang der Kanäle etwa 700 bis 7500 C beträgt, wenn die Umsetzungen in der gewünschten Weise verlaufen. Diese Ausgangstemperatur von 700 bis 7500 C wird durch entsprechendes Auffüllen von Katalysatormasse auf die einzelnen Kanäle innerhalb eines gewissen Bereiches gleichmäßig aufrechterhalten.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Durchführung katalytischer Gasumsetzungen unter Benutzung eines Schachtes, dessen freier Querschnitt durch in Strömungsrichtung des umzusetzenden Gasgemisches liegende parallele und gegeneinander gasdichte Kanäle aufgeteilt ist, in denen der Katalysator in loserSchüttung angehäuft ist, wobei das umzusetzende Gasgemisch in die Kanäle an ihren unteren Enden von einem allen Kanälen gemeinsamen Gaszuführungsraum aus eingeleitet wird und wobei die sich in den Kanälen einstellende Temperatur durch Änderung der Strömungswiderstände geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle bei Betriebsbeginn zunächst nur bis zu einem solchen Stand mit Katalysatormasse aufgefüllt werden, daß ein freier Raum oberhalb der Füllung verbleibt, und daß während des Betriebes den Kanälen einzeln so viel Katalysatormasse zugegeben wird, daß sich die Reaktionstemperatur in allen Kanälen auf im wesentlichen den gleichen Wert einstellt.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 366 7I5, 725 488, 744 075, 748 373; französische Patentschrift Nr. 652 595; USA.-Patentschriften Nr. 2 345 423, 2483 I78; U 11 manns »Enzyklopädie der technischen Chemie«, I932, 2. Auflage, Bd. 9, S. 337; K aus c h, »Die Kontaktstoffe der katalytischen Herstellung von Schwefelsäure, Ammoniak und Salpetersäure«, I93I, S. 141; deutsche Patentanmeldungen p 366I7 IVd/ 12oD (bekanntgemacht am 21. 6. 1951), p 36751 IVd/ I20D (bekanntgemacht am 21.6.1951).