DD150905A5

DD150905A5 - Verfahren zum reformieren von kohlenwasserstoffen und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DD150905A5
Application number: DD80221172A
Authority: DD
Inventors: Kozo Ohsaki; Kazuo Hirokawa; Goro Fukuda; Kozi Otsuka; Tadayoshi Tomita
Original assignee: Toyo Engineering Corp
Priority date: 1979-05-18
Filing date: 1980-05-16
Publication date: 1981-09-23
Also published as: IT8022154A0; JPS5754441B2; NL8002798A; CA1168051A; GB2050413A; DE3018127A1; US4371452A; FR2456708A1; GB2050413B; JPS55154303A; IT1148865B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Umwandeln oder Reformieren von Kohlenwasserstoff beschrieben, bei dem eine gasfoermige Mischung aus schwefelhaltigem Kohlenwasserstoff mit einem Oxidationsmittel fuer die Reformierung wie beispielsweise Dampf oder eine Mischung aus Dampf und Kohlendioxid auf 800 Grad C oder hoeher erhitzt wird, waehrend die gasfoermige Mischung durch ein alkalisches Festkoerper-Packungsbett geleitet wird, das Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthaelt, woraufhin sie mit einem nickelhaltigen Katalysator bei einer Temperatur von 800 Grad C oder hoeher in Kontakt gebracht wird, um eine Gasmischung zu bilden, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaelt. Es ist auszerdem eine Vorrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens beschrieben.

Description

Verfahren zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer gasförmigen Mischung, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, bei dem schwefelhaltiger Kohlenwasserstoff direkt in Dampfform dem Umwandeln oder Reformieren unterworfen wird, ohne vorher entschwefelt zu werden, und sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen.

Schwefelhaltiger Kohlenwasserstoff, insbesondere extrahiertes Öl wie Kerosin, Gasöl oder Dieselöl, vakuumdestilliertes Gasöl oder Dieselöl und dergleichen, das dadurch erhalten worden ist, dass Erdöl oder Petroleum atmosphärischer Destillation und Vakuumdestillation unterworfen worden ist, enthält eine beträchtliche Menge an Schwefel, die z.B. 40 bis 100 ppm bei kommerziell erhältlichem entschwefeitern Kerosin, 200 bis 1500 ppm bei Gasöl und mehr bei vakuumdestilliertem Gasöl beträgt. Dementsprechend können diese schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffe nicht direkt der Dampf-

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Umwandlung oder dem Dampfreformieren in Anwesenheit des her·*- kömmlichen Nickel enthaltenden Katalysators unterworfen werden.

Die technischen Probleme, die bei einem Verfahren zum Dampfreformieren gelöst werden müssen, bei dem leichter Kohlenwasserstoff wie Butan und Benzin oder Naphtha in Dampfform mit einem Oxidationsmittel für die Umwandlung oder das Reformieren wie z,B. Dampf mit einer hohen Temperatur von 500 bis 850°C in Anwesenheit eines Nickel enthaltenden Katalysators reformiert werden soll, bestehen in der Aufrechterhaltung der Aktivität des Nickel enthaltenden Katalysators und in der Verhinderung der Kohlenstoffablagerung auf dem Katalysator, und es sind viele herkömmliche Verfahren bisher hierfür vorgeschlagen worden und auch in die industrielle Praxis umgesetzt worden. Jedoch besitzen alle die oben erwähnten herkömmlichen Verfahren zum Dampfreformieren den Nachteil, dass leichter Kohlenwasserstoff als Ausgangsmaterial im voraus der Entschwefelung unterworfen werden muss, so dass der Schwefel im wesentlichen entfernt werden kann. Schwefel, der in einem Ausgangsmaterial enthalten ist, wandelt Nickel in dem Katalysator in Nickelsulfid um, wodurch die Aktivität des Katalysators verloren geht und Ablagerung oder Niederschlag von Kohlenstoff bewirkt wird, wodurch ein langzeitiger Betrieb unmöglich wird. Wenn der Schwefelgehalt in dem Ausgangsmaterial erhöht ist, werden auch die daraus resultierenden Schwierigkeiten erhöht.

In Bezug auf diese Schwierigkeiten wird beispielsweise auf Seite 69 eines Artikels mit der Überschrift "Production of Hydrogen by Naphtha Steam Reforming", der auf Seite 66 von No. 10, Vol. 21, "Petroleum & Petrochemistry", bei beschrieben: "Ein vollständiges Dampfreformieren von leichtem Gasöl (LBP/FBP=134°C/314°C) unter Verwendung einer Laboratoriurasapparatur unter den gleichen Bedingungen wie bei der Herstellung von Ammoniaksynthesegas wird erzielt. Jedoch bewirkt die unzureichende Entschwefelung (20 ppm) des

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Ausgangsmaterlals, dass der Katalysator vergiftet wird, und 2 bis 3 Stunden später wird ein Teil des Ausgangsmaterials nicht dem Umwandeln oder Reformieren unterworfen und verlässt das Katalysatorbett, wie es ist, um so im Auslassgas enthalten zu sein." Mit anderen Worten, diese vorstehende Beschreibung zeigt, dass sogar 20 ppm Schwefel bewirkt, dass die Aktivität des Katalysators innerhalb einer kurzen Zeitdauer von 2 bis 3 Stunden verloren geht. Dementsprechend muss das Ausgangsmaterial einem Entschwefelungsverfahren wie einer Hydrodesulfurierung im voraus unterworfen werden, so dass der Schwefelgehalt in dem Ausgangsmaterial kleiner als 1 ppm, vorzugsweise kleiner als 0,1 ppm, ist, bevor es dem Dampfreformieren unterworfen wird, um einen Langzeitbetrieb zu ermöglichen.

Die meisten Schwefelverbindungen, die in einer leichten Fraktion wie Benzin oder Naphtha enthalten sind, sind im allgemeinen Thiole und Sulfide, und ihr Schwefelanteil kann leichter durch Hydrodesulfurierung entfernt werden. Schwefelverbindungen, die jedoch in einer schweren Fraktion wie Kerosen enthalten sind, sind in der Hauptsache Thiophene, die vom technischen und wirtschaftlichen Standpunkt aus äusserst schwierig durch Hydrodesulfurierung entschwefelt werden können.

Demzufolge ergibt sich, dass die herkömmlichen Verfahren zur Hochtemperatur-Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen unter Verwendung eines Nickel enthaltenden Katalysators den Nachteil besitzen, dass Schwefel in dem Ausgangsmaterial vorher entfernt werden muss, aber die Entschwefelung von schweren Fraktionen sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht Schwierigkeiten bereitet. Daher können Ausgangsmaterialien, die derartige schwere Fraktionen enthalten, nicht dem Dampfreformieren unterworfen werden.

Im Hinblick auf chemische Ausgangsimterialien muss jedoch andererseits Wert darauf gelegt v/erden, dass mit natürlichen Roh stoffmiellen anarsam ume-eeraneen wird, und bei der Ver-

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wendung von schwereren und verschiedenartigen Ausgangsmaterialien muss die zukünftige Abnahme von Erdölquellen in Betracht gezogen werden. Demzufolge ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Kohlenwasserstoff-Dampfreformierung und einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens in hohem Masse erforderlich, bei dem schwere Fraktionen, die durch Entfernen von Rückständen aus der Destillation unter Atmosphärendruck und aus Vakuumdestillation von Erdöl erhalten werden, in weitem Masse als Ausgangsmaterialien angewendet werden können und bei dem Schwefel enthaltende Materialien auch eingesetzt werden können, ohne dass sie vorher entschwefelt werden müssen.

Ziel der Erfindung.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Dampfreformieren von Schwefel enthaltenden Kohlenwasserstoffen zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, mit dem Schwefel enthaltende schwere Fraktionen ebenfalls als Ausgangsmaterial anwendbar sind.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Dampfreformieren zu schaffen, mit dem schwefelhaltige Kohlenwasserstoffe als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden können, ohne dass sie vorher entschwefelt werden müssen.

Ausserdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Dampfreformieren geschaffen, bei dem eine gasförmige Mischung eines Kohlenwasserstoffes, der Schwefelverbindungen enthält, mit einem Oxidationsmittel zum Reformieren wie

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beispielsweise mit Dampf oder mit einer Mischung aus Dampf und Kohlendioxid zur Zersetzung erhitzt wird, während die Mischung durch ein alkalisches Feststoff-Packungsbett, das Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthält, geleitet wird und dann durch ein Nickel enthaltendes Katalysatorbett bei einer Temperatur von 800 C oder mehr geleitet wird, um eine Gasmischung zu erzeugen, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält.

Die herkömmliche Hochtemperatur-Dampfreformierung unter Verwendung von nickelhaltigemKatalysator wird bei 500 bis 850 C durchgeführt. In diesem Temperaturbereich bewirkt der Schwefel, der in dem Ausgangsmaterial enthalten ist, dass Nickel in dem Katalysator in Nickelsulfid umgewandelt wird, wodurch die Aktivität des Katalysators verloren geht und Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Katalysator bewirkt wird und ein Langzeitbetrieb unmöglich wird. In Abhängigkeit von der enthaltenen Menge Schwefel, d.h. bei einer hohen Temperatur von 800°C oder höher bei einem niedrigen Schwefelgehalt, oder bei 900°C oder höher bei einem hohen Schwefelgehalt, ist Nickel in dem Katalysator zum grössten Teil in Form von Nickel entsprechend seinem Gleichgewicht anwesend, so dass die Aktivität des Katalysators ohne Ablagerung von Kohlenstoff aufrechterhalten werden kann. Es wurde das Reformieren bei einer hohen Temperatur von 800°C oder höher durchgeführt, wobei die vorstehend beschriebene Tatsache in Betracht gezogen wurde, und es wurde gefunden, dass die Probleme so technisch gelöst werden können.

Und zwar umfasst das Hochtemperatur-Reformieren das Aufheizen bis zu einer hohen Temperatur von 800 C von schwefelhaltigem Kohlenwasserstoff allein oder zusammen mit einem Oxidationsmittel zum Reformieren, und es wurde gefunden, dass bei Kohlenwasserstoff, der bei Raumtemperatur in Form von Flüssigkeit vorliegt, Ablagerung von Kohlenstoff im Laufe des Aufheizens auf 800°C auftritt. Die Kohlenstoffablagerung oder der Kohlenstoffniederschlag im Verlauf dieses Aufheizens

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macht es unmöglich, die nachfolgende Dampfreformierung unter Verwendung eines Nickelkatalysators durchzuführen. Viele Experimente zeigten, dass das Aufheizen von einem Temperaturbereich von 350 bis 600°C auf 800°C für Zersetzung durch ein alkalisches Festkörper-Packungsbett, das frei von Nickel ist und Alkalimetall und Erdalkalimetall enthält, keinen Niederschlag oder Ablagerung von Kohlenstoff bewirkt.

Die alkalische Festkörperpackung kann aus einem Alkalimetalloder Erdalkalimetalloxid und Oxid von Aluminium zusammengesetzt sein und ist vorzugsweise frei von Nickel. Bei einem Temperaturbereich, der niedriger als 800°C ist, ist das Entweichen von Kalium so gering, dass es wünschenswert ist, einen Bestandteil wie Kalium zu inkorporieren, der dazu dient, Kohlenstoffablagerung zu verhindern.

Dann wird das erzeugte Gas, das niedrigere Kohlenwasserstoffe und andere Gase enthält, die so gebildet worden sind, in ein Nickel enthaltendes Katalysatorbett eingeleitet und darin der Dampfreformierung bei wenigstens 800 C oder höher, vorzugsweise 900 bis 1000°C, unterworfen, wobei die Aktivität des Katalysators aufrechterhalten bleibt, und ein kontinuierlicher Betrieb über lange Zeit ist ohne irgendeine Kohlenstoff ablagerung möglich. Ein nickelhaItiger Katalysator, der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird bei einer hohen Temperatur verwendet, die höher als 800 C ist, und es gibt keine Notwendigkeit, ein die Kohlenstoffablagerung verhinderndes Mittel wie Kalium zu inkorporieren, das bei derartig hohen Temperaturen entweicht, da der Zustand der gasförmigen Mischung, die in das Katalysatorbett eingeführt wird, und die Aktivität des Katalysators in erwünschter Weise aufrechterhalten bleiben. Der verwendete Katalysator wird hergestellt, indem eine bestimmte Menge Nickel in ein Oxid oder mehrere Oxide der Elemente, die zu der Gruppe II des periodischen Systems gehören, wie Beryllium, Magnesium, Calzium, Strontium, Barium und dergleichen, und das Oxid von Aluminium, das zur Gruppe III gehört, inkorporiert wird.

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Die verwendete alkalische Festkörperpackung umfasst beispielsweise Festkörper, wie sie in der US-Patentschrift No. 3,969,542 beschrieben sind, und kann weiterhin andere alkalische Festkörperpackungen umfassen, wie sie an sich bekannt sind. Der verwendete Nickel-Katalysator kann beispielsweise Katalysatoren umfassen, wie sie in der US-Patentschrift No. 4,101,449 beschrieben sind, und es können auch andere nickelhaltige Katalysatoren verwendet werden, die an sich für die Kohlenwasserstoffreformierung bekannt sind.

Es gibt keine Beschränkung für den Druck, der für die Reaktion angewendet wird, aber der angewendete Druck ist natürlich durch Beschränkungen des Materials des Reaktors begrenzt .

Die Temperatur in dem alkalischen aus Festkörpern gepackten Bett und in dem Nickel enthaltenden Katalysatorbett variiert mit dem Aufbau, der Menge und dergleichen des Kohlenwasserstoffmaterials und der Schwefelverbindungen. Es sollten Temperaturen verwendet werden, die keine Zersetzung am Einlass des alkalischen Festkörperpackungsbettes bewirken. Die Temperatur sollte 800°C oder höher und vorzugsweise 900 bis 100O⁰C an dessen Auslass sein, während die Reaktion in dein Nickel enthaltenden Katalysatorbett bei 800 C oder höher, vorzugsweise bei 900 bis 1000°C, durchgeführt wird.

Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung wird nun durch Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine erklärende Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 eine erklärende Darstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

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Figur 3 einen vertikalen Schnitt, der eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung darstellt;

Figur 4 einen vertikalen Schnitt, der eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung darstellt, und

Figur 5 einen vertikalen Schnitt, der noch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung darstellt.

In Figur 1 ist ein Reaktor 1 mit einem Packungsbett 2 aus einer alkalischen Festkörperpackung und einem Packungsbett aus einem darin enthaltenen nickelhaltigenKatalysator versehen und wird von aussen mit Wärme versorgt, die zur Dampfreformierung notwendig ist. Kohlenwasserstoff als Ausgangsmaterial wird mit Dampf in Form von Gas gemischt und dann durch eine Leitung 4 bei 350 bis 600°C in den Reaktor 1 eingeführt. Die Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung wird auf 800°C oder höher zur Zersetzung in dem alkalischen Festkörperpackungsbett erhitzt und dann bei 800°C oder höher in dem nickelhaltigen Katalysatorbett vollständig zersetzt, um eine Mischung zu bilden, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, die dann aus dem Reaktor durch eine Leitung 5 herausgenommen wird. In Figur 1 zeigen (a) und (b) die Fälle, in denen der Durhhfluss der Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung und der gebildeten gasförmigen Mischung in zueinander entgegengesetzten Richtungen erfolgt.

Die Temperatur der Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung, die in den Reaktor 1 eingeführt wird, variiert mit dem Siedepunktbereich des als Ausgangsmaterial verwendeten Kohlenwasserstoffes und wird aus Temperaturen in dem Bereich von 350 bis 600 C ausgewählt. Im Falle von flüssigem Kohlenwasserstoff darf Kohlenstoffablagerung nicht in den Verfahrensschritt der Verdampfungs-Vorerhitzung erfolgen. Es wurde angenommen, dass Gasöl und unter Vakuum destilliertes Gasöl

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Kohlenstoffablagerung sogar schon bei 500 C verursachen, aber die Erfinder der vorliegenden Anmeldung fanden bei ihren Untersuchungen, dass die Rate der Kohlenstoffbildung so niedrig ist, dass der kontinuierliche Betrieb ohne Kohlenstoffablagerung durch Verkürzung einer Aufenthaltszeit in dem Verfahrensschritt der Verdampfungs-Vorerhitzung möglich wird. Es sollte jedoch eine Temperatur oberhalb 600 C vermieden werden, da die Rate der Kohlenstoffablagerung bei 600 C oder höher hoch wird, so dass Verstopfung von Leitungen und ähnliches entstehen kann.

Beispiele Beispiel 1

In den Einlassteil eines Reaktorrohres mit einem inneren Durchmesser von 60 mm, dessen Länge 2/3 der Gesamtlänge des Reaktionsrohres war, wurde eine alkalische Festkörperpackung, die 12 CaO · 7 Al₃O₃ als ihren Hauptbestandteil enthielt, gepackt und über das restliche 1/3 der Länge des Reaktionsrohres wurde ein Katalysator gepackt, der so hergestellt war, dass er 15 Gew.-% Ni auf einem Träger, der 12 CaO · 7 Al₃O₃ als seinen Hauptbestandteil enthielt, trug. Gasöl, das eine Siedetemperatur von 210 bis 353°C aufwies und 900 ppm Schwefel enthielt, wurde als zu bearbeitendes Öl verwendet. Dieses Ausgangsöl wurde in der Gasphase mit Dampf mit einer Durchflussrate von 1,34 kg/h gemischt, um das Verhältnis (Dampf-Mole)/(Anzahl Kohlenstoffatome) =3,5 zu machen, und die Mischung wurde dem Einlass

2 des alkalischen Festkörperpackungsbettes unter etwa 21 kg/cm (20 kg/cm G, d.h. Überdruck über Atmosphärendruck) bei 400 C zugeführt, darin auf 900°C erhitzt und dann der Reaktion in dem Nickel enthaltenden Katalysatorbett bei 95O°C unterworfen, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden:

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Menge des gebildeten Gases 5 Nm /h

Zusammensetzung des gebil- H„ 59,3 Vol.-% deten Gases

CH₄ 14,6 Vol.-%

CO 11,6 Vol.-% CO₂ 14,5 Vol.-% HgS+COS 180 ppm

Während des Betriebs wurde kein Kohlenstoff in dem gebildeten Gas bemerkt und in einer Untersuchung des Reaktionsrohres nach Fertigstellung des Betriebes wurde keine Kohlenstoffablagerung gefunden.

Das herkömmliche Kohlenwasserstoff-Dampfreformieren war technisch und wirtschaftlich auf die Anwendung einer Benzinoder Naphtha-Fraktion mit einem Siedepunktbereich von etwa 220 C oder niedriger beschränkt, und es war nur anwendbar auf ein im wesentlichen entschwefeltes Material. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann jedoch die Dampfreformierung ohne Kohlenstoffablagerung mit Material, das sich über einen weiten Bereich an Materialien von schwefelhaltigem Methan bis zu schweren Erdöl-Fraktionen, ausgenommen Rückstandsöl, erstreckt, durchgeführt werden. Dampfreformierung von flüssigem Kohlenwasserstoff, der frei von Schwefel ist, kann offensichtlich ohne Kohlenstoffablagerung durchgeführt werden. Die oben beschriebene Tatsache zeigt, dass die vorliegende Erfindung eine hohe Wirkung insbesondere im Falle einer Erdöl-Fraktion besitzt, deren Entschwefelung vor der Durchführung der Dampfreformierung sowohl technisch als auch wirtschaftlich schwierig ist, oder in dem Falle, wenn die Inkorporation von Schwefel in dem durch das Dampfreformieren gebildeten Gas gestattet ist.

Die vorliegende Erfindung besitzt auch den Vorteil, dass Schwefelverbindungen, die in dem Ausgangsmaterial enthalten

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sind und schwierig durch Entschwefelung zu entfernen sind, in H₂S oder COS umgewandelt werden können, indem sie dem Dampfreformieren gemäss der vorliegenden Erfindung unterworfen werden. Die im wesentlichen vollständige Entschwefelung von dem so gebildeten H₃S oder COS kann leicht durch herkömmliches Säure-Gas-Entfernungsverfahren durchgeführt werden.

Durch eine andere Ausführungsform wird ein bevorzugtes Verfahren für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geschaffen. Eine erste Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, wird bei einer Temperatur durchgeführt, die höher als die Reaktionstemperatur bei dem herkömmlichen Dampfreformieren ist, d.h. 800°C oder mehr beträgt, so dass eine Erhöhung der Ausnutzung von thermischer Energie mehr denn je erwünscht ist. Figur 2 zeigt eine erklärende Darstellung dieser Ausführungsform. Das in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Verfahren unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Verfahren dadurch, dass eine Leitung 6 für gebildetes Gas durch ein alkalisches Festkörperpackungsbett 2 und ein nickelhaltiges Katalysatorbett 3, die in ein Reaktionsrohr 1 gepackt sind, hindurchreicht. Ein Gas hoher Temperatur, das durch die Dampfreformierung in dem nickelhaltigen Katalysatorbett 3 gebildet ist, wird in die Leitung 6 für gebildetes Gas eingeführt. Wenn das so gebildete Gas durch die Leitung 6 hindurchströmt, wird die fühlbare Wärme des gebildeten Gases dem Gas, das durch das nickelhaltige Katalysatorbett und das alkalische Festkörperpackungsbett hindurchströmt, durch indirekten Wärmeaustausch abgegeben. Dann wird das gebildete Gas durch eine Ablass leitung 7 für das gebildete Gas aus dem Reaktor herausgelassen.

Beispiel 2

Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass eine Leitung 6 für gebildetes Gas mit einem inneren Durchmesser von 10 mm in dem Reaktionsrohr 1 aus Beispiel 1 angebracht wurde,

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wobei die Temperatur eines Auslasses der Leitung 6 für gebildetes Gas (ein Einlass einer Leitung 7) 59O°C betrug. Sowohl die Menge als auch die Zusammensetzung des gebildeten Gases waren dieselben wie die in Beispiel 1. In Beispiel 2 würde jedoch eine verbrauchte Brennstoffmenge von 31 % im Vergleich zu Beispiel 1 eingespart, wie es nachstehend angegeben ist.

Beispiel Beispiel 1 2

Temperatur der gasförmigen Kohlen- Ann wasserstoff-Dampf-Mischung (⁰C)

Gebildetes Gas Auslass-Temperatur (⁰C)

Verbrennungsgas Ablass-Tempe- _aor. ' ₀₀_

ratur (⁰C) ⁹⁸° ⁹⁸°

Verhältnis der verbrauchten Brenn- - O 69 stoffmengen '

Nachfolgend wird eine Beschreibung der Verbindung mit einem Ofen und Brennern, die in den oben beschriebenen zwei Ausführungsformen die Wärme dem Reaktionsrohr zuführen, angegeben. Die obige Beschreibung bezieht sich auf solch eine Vorrichtung, bei der eine Vielzahl von vertikalen Reaktionsrohren, die mit einem alkalischen Festkörperpackungsbett und einem nickelhaltigen Katalysatorbett versehen sind, parallel zueinander angeordnet sind, um einen Ofen zu bilden, und Reaktionsrohre werden durch eine Vielzahl von seitlichen Wandbrennern an den jeweiligen Seitenwänden des Ofens erhitzt, die hauptsächlich dem nickelhaltigen Katalysatorbett gegenüberliegend angeordnet sind.

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Die Wärmemenge und das Temperaturniveau, die in dem alkalischen Festkörperpackungsbett erforderlich sind, in dem die Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung von einer Temperatur von 350 bis 600⁰C auf 800°C oder höher für die thermische Zersetzung erhitzt wird, können auf einem niedrigeren Niveau als in dem nickelhaltigen Katalysatorbett liegen, wo sie auf 800 C oder höher durchgehend gehalten wird. Jedoch kann die Anwendung des Deckenheizungssystems oder des Bodenheizungssystems (d.h. Heizung von oben oder unten)_t das in weitem Masse als Hauptheizmittel angewendet worden ist, nicht lokales Aufheizen vermeiden. Dementsprechend wird bei der Durchführung der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung ein seitliches Heizsystem als Hauptheizmittel angewendet, bei welchem System die Verbrennungs- oder Heizmenge über einen weiten Bereich entsprechend der Wärmemenge gesteuert werden kann, die in einer dem nickelhaltigen Katalysatorbett entsprechenden Zone absorbiert wird, und dadurch wird es möglich, lokales Aufheizen des Reaktionsrohres zu vermeiden und Brennstoff zu sparen. Viele Experimente zeigten, dass es vom Standpunkt der Wärmeökonomie wünschenswert ist, dass die bei der vorliegenden Erfindung angebrachten seitlichen Wandbrenner auf der Seitenwand des Ofens

von

angebracht sind, die seit lieh/dem nickelhaltigen Katalysatorbett gelegen ist, um die Reformierungszone auf einem hohen Temperaturniveau mit Wärme zu versorgen, und dann wird das alkalische Festkörperpackungsbett mit Wärme versorgt, indem sich das Verbrennungsgas bewegt, um die Strahlungswärme-Übergangszone zu verlassen.

Figur 3 ist eine Ausführungsform für die praktische Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. In Figur 3 ist ein Strahlungswärme-Übergangsabschnitt eines Heizofens 10 mit einer Vielzahl paralleler Reaktionsrohre vorgesehen; ein Reaktionsrohr 1 ist mit einem alkalischen Festkörper-Packungsbett 2 in seinem oberen Teil und mit einem nickelhaltigen Katalysatorbett 3 in seinem unteren Teil versehen; eine Leitung 6 für gebildetes Gas, die durch

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beide Betten hihdurchreicht, besitzt eine Öffnung mit einem Niveau oder Mundstück am Boden des Reaktionsrohres, und ein anderes Niveau oder Mundstück der Leitung 6 für das gebildete Gas hat eine Ausgangsöffnung aus einem oberen Abschnitt des Reaktionsrohres heraus. Eine Vielzahl von seitlichen Heizelementen oder Brennern 11 ist an beiden Seitenwänden, die dem nickelhaltigen Katalysatorbett in dem Reaktionsrohr 1 entsprechen, angebracht. Das Verbrennungsgas von den seitlichen Wandbrennern 11 wird an einen (in der Figur nicht dargestellten) Konvektionswärme-Übergangsabschnitt durch eine Leitung oder Schacht 13 abgegeben, der in einem oberen Abschnitt des Heizofens vorgesehen ist. In Figur 3, wo eine Gasleitung 6 für gebildetes Gas gemäss der beschriebenen zweiten Ausführungsform angebracht ist, wird eine gasförmige Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung bei 350 bis 600°C abgezweigt, um jeweils in ein Reaktionsrohr 1 durch eine Leitung 4 eingeführt zu werden, und wird dann von dem Verbrennungsgas, das ausserhalb des Reaktionsrohres entlangströmt, und von dem gebildeten Gas in der Leitung 6 für gebildetes Gas mit Wärme versorgt, damit sie zur Zersetzung auf eine gewünschte Temperatur von 800°C oder höher erhitzt wird, und dann wird ihr Wärme von dem Verbrennungsgas, das ausserhalb des Reaktionsrohres entlangströmt, und von dem gebildeten Gas in der Leitung 6 für gebildetes Gas zur Dampfreformierung bei 8Q0°C oder höher in dem nickelhaltigen Katalysatorbett zugeführt, wobei das gebildete Gas hoher Temperatur in die. Leitung 6 für gebildetes Gas strömt und durch diese hindurch aufsteigt, um schliesslich durch eine Ablassleitung 7 für gebildetes Gas abgelassen zu werden. Wenn die oben beschriebene erste Ausführungsform angewendet wird, ist die Leitung 6 für gebildetes Gas nicht im Innern vorgesehen oder angeschlossen, so dass das gebildete Gas aus dem Reaktionsrohr abgelassen wird, um einer Abwärmerückgewinnung unterworfen zu werden, nachdem es den Heizofen verlassen hat. Es ist leicht einzusehen, dass dann, wenn der Durchfluss der gasförmigen Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung und des gebildeten Gases in den entsprechenden ent-

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gegengesetzten Richtungen, also nach oben oder nach unten, verläuft, dann jedes Bauelement in der entgegengesetzten Richtung nach oben oder nach unten angeordnet ist.

In Figur 3 erfolgte die Erklärung unter Bezugnahme auf eine Vielzahl von Reaktionsrohren, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Anordnung der Reaktionsrohre kann in einer Draufsicht eine lineare oder eine Zick-Zack-Konfiguration besitzen. Die seitlichen Wandbrenner können entsprechend dem Arbeitsablauf geeignet ausgelegt sein, z.B. dass sie gleiche Kapazität besitzen, oder sie können eine kleine Kapazität im oberen Abschnitt und eine grosse Kapazität im unteren Abschnitt besitzen.

Beispiel 3

Unter den gleichen Bedingungen, die in den Beispielen 1 und 2 beschrieben wurden, wurden die seitlichen Wandbrenner in Figur 3 so angeordnet, dass die Verbrennungsgas-Auslasstemperatur (entsprechend einem Einlass-Strom der Leitung 13) 800°C sein kann. Die verbrauchte Brennstoffmenge wurde auf 56 % der Menge in Beispiel 1 reduziert, während die Menge in Beispiel 2 auf 69 % der Menge in Beispiel 1 reduziert war. Das bedeutet, dass die in Beispiel 3 verbrauchte Brennstoffmenge auf 81% der Menge in Beispiel 2 reduziert war.

Die folgende Ausführungsform ist dergestalt, dass eine wärmeleitende Packung, z.B. inerte Kugeln wie Aluminiumoxidkugeln, an den Auslass des Strahlungswärme-Übergangsabschnittes für das Verbrennungsgas gepackt ist, um darin den Wärmeübergang zu verbessern, oder Rippen auf der äusseren Seitenwand des entsprechenden Abschnittes des Reaktionsrohres angebracht sind. Eine weitere Einsparung der Brennstoffmenge für die Verbrennung in dem Heizofen kann vorzugsweise dadurch erzielt werden, dass die Temperatur des

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Verbrennungsgases, das von dem Ofen abgelassen wird, so weit wie möglich abgesenkt wird. Wenn jedoch die Verbrennungsgastemperatur gesenkt wird, ist jedoch der Strahlungswärme-Übergang merklich reduziert und der Konvektionswärmeübergang wird vorherrschend, so dass die Rate des Wärmeübergangs stark verringert wird. Als Folge davon kann Brennstoff eingespart werden, aber es wird notwendig, die Ausdehnung des Reaktionsrohres zu verlängern oder die Anzahl von Reaktionsrohren zu erhöhen, um die Wärmeübergangsfläche zu vergrössern. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten viele Untersuchungen über die Absenkung der Temperatur des Verbrennungsgases, das von dem Ofen abgelassen wird, und das Beibehalten der Wärmeübergangsrate auf einem hohen Niveau durch, um die Einsparung an verbrauchtem Brennstoff bei dieser Ausführungsform zu erreichen. Figur 4 zeigt eine Vorrichtung dieser Ausführungsform, in der der Durchfluss der Kohlenwasserstoff-Dampf-Mischung, die in das Reaktionsrohr 1 einströmt, und des gebildeten Gases gemäss der in Figur 3 dargestellten Ausführungsforra in entgegengesetzten Richtungen im Vergleich zu Figur 3 verlaufen, und die letztere Hälfte der Leitung 6 für das gebildete Gas ist ein rohrschlangenförmig geformtes Rohr 8 anstelle eines geraden Rohres. Die Wärmeübergangsrate kann merklich verbessert werden, indem ein Abschnitt 14 mit inerter Kugelpackung vorgesehen wird und indem die letztere Hälfte der Leitung 6 für das gebildete Gas ein rohrschlangenförmiges Rohr 8 ist. Die inerten Kugeln (oder gegebenenfalls Füllkörper mit anderer Form) können vorzugsweise aus einer geeigneten Gestalt und Grosse hergestellt werden und können aus einem Material bestehen, das gute Wärmebeständigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung, bei der eine Kühlrippe 15 auf einem Abschnitt der äusseren Seitenwandung angebracht ist, die seitlich an dem alkalischen Festkörper-Packungsbett des Reaktionsrohres

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gelegen ist, um die Wärmeübergangsrate zu verbessern. Die Kühlrippe 15 kann aus einem plattenartigen oder stabartigen vorspringenden Steg oder in anderer Form ausgebildet sein, sofern sie nur in der Lage ist, die Wärmeübergangsfläche zu vergrössern.

Beispiel 4

Es wurde ein Experiment unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 3 mit einer Vorrichtung durchgeführt, die mit plattenartigen vertikalen Kühlrippen ausgestattet war, wie es in Figur 5 gezeigt ist. Die Menge an verbrauchtem Brennstoff wurde um 11% im Vergleich zu der in Beispiel 3 verringert und eingespart.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Verfahren zum Umwandeln oder Reformieren von Kohlenwasserstoffen, bei dem eine gasförmige Mischung aus schwefelhaltigem Kohlenwasserstoff und einem Oxidationsmittel für die Reformierung mit einem Katalysator in Kontakt gebracht wird, um die Mischung zu reformieren oder in eine Gasmischung umzuwandeln, die Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält ,dadurch gekennzeichnet, dass diese gasförmige Mischung auf eine Temperatur oberhalb 800°C aufgeheizt wird, während die gasförmige Mischung durch ein alkalisches Festkörper-Packungsbett, das Alkalimetall und/oder Erdalkalimetall enthält, geleitet wird und dann diese erhitzte gasförmige Mischung durch ein nickelhaltiges Katalysatorbett bei einer Temperatur oberhalb 8OO°C geleitet wird, um die Mischung zu reformieren oder in die besagte Gasmischung umzuwandeln.
2. Verfahren nach Punkt 1,da durch gekennzeichnet , dass die erhitzte Mischung bei einer Temperatur von 900 bis 1000 C durch das nickelhaltige Katalysatorbett geleitet wird.

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3. Verfahren nach Punkt 1,dadurch gekennzeichnet , dass die alkalische Festkörperpackung aus Alkalimetalloxid und/oder Erdalkalimetalloxid und Aluminiumoxid zusammengesetzt ist.
4. Verfahren nach Punkt 1,dadurch gekennzeichnet , dass der nickelhaltige Katalysator aus wenigstens einem Metalloxid, das aus Oxiden von Beryllium, Magnesium, Calzium, Strontium und Barium ausgewählt ist, und Oxid von Aluminium, in oder auf die Nickel ein- oder aufgebracht ist, zusammengesetzt ist.
5. Verfahren nach Punkt 1,dadurch gekennzeichnet , dass die von dem Katalysatorbett abgezogene Gismischung im Gegenstrom zu dem Durchfluss der gasförmigen Mischung aus dem schwefelhaltigen Kohlenwasserstoff und dem Oxidationsmittel zum Reformieren in eine Zone geleitet wird, die sich durch das alkalische Festkörper-Packungsbett und das Katalysatorbett erstreckt, wodurch die fühlbare Wärme der abgelassenen gebildeten Gasmischung für einen Teil der bei der Reformierungsreaktion benötigten Reaktionswärme und, um die gasförmige Mischung aufzuheizen, verwendet wird.
6. Vorrichtung zum Umwandeln oder Reformieren von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet , dass sie einen Heizofen (10) umfasst, in dessen Strahlungswärme-Übergangszone mehrere Reaktionsrohre (1), in die jeweils ein alkalisches Festkörper-Packungsbett (2) und ein nickelhaltiges Katalysatorbett (3) eingebaut sind, vertikal und parallel zueinander angeordnet sind,

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und dieser Heizofen (10) mit einer Vielzahl von Heizelementen oder Brennern (11) zum Heizen der Reaktionsrohre (1) an der Stelle, die dem Katalysatorbett (3) auf der Seitenwandung des Heizofens (10) gegenüberliegt, versehen ist.
7. Vorrichtung nach Punkt 6 , dadurch gekennzeichnet , dass ein Festkörper Packungsbett (14) aus einem inerten Festkörper-Wärmeübertragungsmedium dem alkalischen Festkörper-Packungsbett (2) benachbart in wenigstens einem Teil des Raumes zwischen dem Reaktionsrohr (1) und der Seitenwandung des Heizofens (10) angebracht ist.
8. Vorrichtung nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet , dass eine Vielzahl von Rippen oder Kühlrippen (15) an einer Stelle, die dem alkalischen Festkörper-Packungsbett (2) benachbart ist, auf der Aussenwandung des Reaktionsrohres (1) angebracht ist.

Hierzu...iL$eiien Zeichnungen