DE1237071B - Process for removing small amounts of carbon oxide from gases containing hydrogen by methanation - Google Patents
Process for removing small amounts of carbon oxide from gases containing hydrogen by methanationInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
int. Cl.: COIbint. Cl .: COIb
Deutsche Kl.: Ui^*/3tT J?6CC /Z German class: Ui ^ * / 3tT J? 6CC / Z
Nummer: 1237071Number: 1237071
Aktenzeichen: F 35790IV a/12 iFile number: F 35790IV a / 12 i
Anmeldetag: 17. Januar 1962Filing date: January 17, 1962
Auslegetag: 23. März 1967Opened on: March 23, 1967
Es ist bekannt, daß bei zahlreichen katalytischen Hydrierungen organischer und anorganischer Verbindungen kleine Mengen Kohlenoxid, die im Hydriergas enthalten sind, für die Aktivität des Hydrierkatalysators schädlich sind, und es ist daher üblich geworden, in solchen Fällen das Kohlenoxid weitestgehend aus dem Wasserstoffgas zu entfernen. Häufig enthält der zur Verfügung stehende Wasserstoff Kohlenoxidmengen von 0,1 bis 2*/o, und die Entfernung ist zumeist notwendig bzw. zweckmäßig auf < 5 ppm, möglichst < 2 ppm.It is known that in numerous catalytic hydrogenations of organic and inorganic compounds small amounts of carbon oxide contained in the hydrogenation gas for the activity of the hydrogenation catalyst are harmful, and it has therefore become customary to use carbon oxide as extensively as possible in such cases to remove from the hydrogen gas. Often the available hydrogen contains Amounts of carbon oxides from 0.1 to 2 * / o, and the removal is mostly necessary or expedient <5 ppm, if possible <2 ppm.
Diese Entfernung wird generell durch die sogenannte Methanisierung durchgeführt, d.h. durch hydrierende Reduktion des Kohlenoxids zum Methan. Für diese katalytische hydrierende Reduktion werden meistens Nickel-Katalysatoren verwendet. Eine sehr häufig angewendete Form der Katalysatoren wird dadurch erhalten, daß man Nickelsalze auf geeignete Träger auftränkt, dann die Salze durch Erhitzen im Luftstrom in Oxide überführt und diese nun mit Wasserstoff bei Temperaturen von 300 bis 4500C so reduziert, daß das Nickel zum größten Teil in den metallischen Zustand übergeht. Häufig ist es auch möglich, die Oxidationsstufe zu umgehen und direkt die Salze mit Wasserstoff bei den genannten Temperaturen zu reduzieren. Nach der Reduktion ist dann der Nickel-Katalysator einsatzfähig für die Methanisierung, die man im allgemeinen bei Temperaturen von 250 bis 35O0C durchführt.This removal is generally carried out by what is known as methanation, ie by hydrogenating reduction of the carbon oxide to methane. Nickel catalysts are mostly used for this catalytic hydrogenative reduction. A very frequently used form of the catalysts is obtained by soaking nickel salts on suitable supports, then converting the salts into oxides by heating in a stream of air and reducing these with hydrogen at temperatures of 300 to 450 ° C. so that the nickel is greatest Part goes into the metallic state. It is often also possible to bypass the oxidation state and to reduce the salts directly with hydrogen at the temperatures mentioned. After the reduction, the nickel catalyst is then ready for use for the methanation which one to 35O by generally carried out at temperatures of 250 0 C.
Bei dieser Arbeitsweise muß man für die Reduktion des Katalysators auf höhere Temperaturen
gehen, und dies erfordert die Anwendung entweder von Rauchgasen oder eine elektrische Beheizung.
Beide Einrichtungen sind vor allem in Betrieben mit großen Mengen brennbarer Stoffe wenig erwünscht,
und sie erfordern auch einen recht erheblichen Aufwand für die Apparatur selbst sowie für die Meß-
und Regeltechnik. Es hat nicht an Bestrebungen gefehlt, die Reduktion der Katalysatoren außerhalb der
Methanisierungsanlage vorzunehmen und die an sich pyrophoren reduzierten Katalysatoren durch bestimmte
Behandlungen transportfähig zu machen. Normalerweise — wie erwähnt — arbeitet man bei
der Methanisierung mit den genannten Katalysatoren bei Temperaturen oberhalb 2500C. Man kann aber
mit diesen Katalysatoren auch schon bei 2000C arbeiten, eine Temperatur, die sich mit einfacheren
Mitteln erreichen läßt als die für die Reduktion der Katalysatoren erforderliche ,höhere Temperatur.
Nacharbeitungen haben aber ergeben, daß im Temperaturbereich von etwa 200 bis 2250C diese Katalysatoren
an der unteren Temperaturgrenze ihrer zu-Verfahren zur Entfernung kleiner Mengen
Kohlenoxid aus wasserstoffhaltigen Gasen
durch MethanisierungIn this procedure, one must go to higher temperatures for the reduction of the catalyst, and this requires the use of either flue gases or electrical heating. Both devices are not particularly desirable in companies with large quantities of flammable substances, and they also require a considerable amount of effort for the apparatus itself and for the measurement and control technology. There has been no lack of efforts to reduce the catalysts outside the methanation plant and to make the catalysts, which are pyrophoric in themselves, transportable by means of certain treatments. Normally - as mentioned - the methanation with the catalysts mentioned is carried out at temperatures above 250 ° C. However, these catalysts can also be used at 200 ° C., a temperature which can be achieved with simpler means than that for the reduction the higher temperature required by the catalysts. However, reworking has shown that, in the temperature range from about 200 to 225 ° C., these catalysts are at the lower temperature limit of their process for removing small amounts
Carbon oxide from gases containing hydrogen
through methanation
Anmelder:Applicant:
Farbenfabriken Bayer Aktiengesellschaft,
ίο LeverkusenPaint factories Bayer Aktiengesellschaft,
ίο Leverkusen
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dr. Walter Krönig, Leverkusen;Dr. Walter Krönig, Leverkusen;
Dr. Hans-Joachim Müller,Dr. Hans-Joachim Müller,
Leverkusen-NiederblecherLeverkusen-Niederblecher
verlässigen Wirksamkeit sind. Bei Belastungen, wie sie in der Technik erforderlich oder zumindest erwünscht sind, finden immer wieder Durchbrüche von Kohlenoxid statt, ein Vorgang, der für die nachgeschaltete Hydrierung keinesfalls zulässig ist. Die Einhaltung einer Grenze von < 5 ppm Kohlenoxid im methanisierten Gas ist mit diesen Katalysatoren bei der genannten niedrigen Temperaturgrenze nicht zuverlässig möglich.reliable effectiveness. With loads as required or at least desired in technology are, breakouts of carbon oxide take place again and again, a process that is necessary for the downstream Hydrogenation is by no means permitted. Compliance with a limit of < 5 ppm carbon oxide in the methanated gas is not reliable with these catalysts at the low temperature limit mentioned possible.
Für die Umwandlung großer Mengen Kohlenoxid, wie sie beispielsweise in dem sogenannten Synthesegas vorliegen, in Methan durch hydrierende Reduktion sind Nickel-Katalysatoren von der Art des Raney-Nickels vorgeschlagen worden. Es ist hierbei nicht notwendig, reines Raney-Nickel zu nehmen, man kann sich auch damit begnügen, aus den Legierungen des Nickels mit anderen Metallen — z. B. Aluminium — nur einen Teil dieser anderen Metalle herauszulösen. Die Reduktion dieser großen Mengen Kohlenoxid wird bei Temperaturen von 30Q bis 4000C vorgenommen, wobei vorgeschlagen worden ist, im Wirbelbett zu arbeiten, da bei dieser Anordnung sich die große auftretende Reaktionswärme zuverlässig abführen läßt. In den Mitteilungen über diese Reduktion der großen Mengen Kohlenoxid mit Raney-Nickel-artigen Katalysatoren finden sich aber keine Hinweise, daß diese Katalysatoren geeignet sein könnten für die Entfernung kleiner Mengen Kohlenoxid aus Wasserstoffgasen bis herunter zum ppm-Bereich, und es finden sich auch keine Angaben, daß diese Katalysatoren bei wesentlich niedrigerenNickel catalysts of the Raney nickel type have been proposed for converting large amounts of carbon oxide, such as are present, for example, in the so-called synthesis gas, into methane by hydrogenative reduction. It is not necessary here to use pure Raney nickel; one can also be satisfied with using the alloys of nickel with other metals - e.g. B. aluminum - only extract some of these other metals. The reduction of these large amounts of carbon monoxide is carried out at temperatures of 30Q to 400 0 C, which has been proposed to work in the fluidized bed because the large reaction heat to be dissipated reliably with this arrangement. In the reports on this reduction of the large amounts of carbon oxide with Raney nickel-type catalysts there is no indication, however, that these catalysts could be suitable for the removal of small amounts of carbon oxide from hydrogen gases down to the ppm range Indications that these catalysts are much lower
709 520/358709 520/358
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Temperaturen zu arbeiten vermögen als den genann- reinen Nickel-Metallform zu gehen, sondern sich inTemperatures are able to go as the so-called pure nickel metal form, but to work in
ten Temperaturen (vgl. R. H. Dirks en und von anderen mittels Raney-Nickels katalysiertenten temperatures (cf. R. H. Dirks en and catalyzed by others using Raney nickel
R. Linden, Ind. Eng. Chem. 52, S. 584 bis 589 Verfahren her bekannter Weise mit einem AnätzenR. Linden, Ind. Eng. Chem. 52, pp. 584 to 589 method in a known manner with an etching
[1960], und M. D. Schlesinger u.a., Ind. Eng. der Legierungen zu begnügen, aus denen das Raney-[1960], and M. D. Schlesinger et al., Ind. Eng. to be satisfied with the alloys from which the Raney
Chem. 48. S. 68 bis 70 [1956]). 5 Nickel im allgemeinen hergestellt wird, wie z. B.Chem. 48. pp. 68 to 70 [1956]). 5 nickel is generally produced, such as. B.
Es wurde nun gefunden, daß man kleine Mengen Nickel-Aluminium- oder Nickel-Magnesium-Legie-Kohlenoxid in vorteilhafter Weise aus wasserstoff- rangen. Zumeist geht man hier aus von Nickelhaltigen Gasen, in denen es in Mengen bis zu 2% Aluminium-Legierungen, in denen der Nickelgehalt enthalten ist, entfernen kann, wenn man die Aus- zwischen 20 bis 80% liegt. Brückstücke dieser Legangsgase bei 180 bis 2300C über fest angeordnete io gierungen behandelt man mit alkalischen Lösungen, Raney-Nickel-Katalysatoren leitet und hierbei die beispielsweise mit l°/oiger Natronlauge, und löst da-Gase mit Raumgeschwindigkeiten von 5000 bis bei etwa 3 bis 30°/o, vorteilhafterweise 7 bis 15% 15 000 Normalster Gas pro Liter Katalysator pro des in der Legierung enthaltenen Aluminiums her-Stunde über den Katalysator führt und die Reaktor- aus. Anschließend wird die Legierung mit Wasser temperatur durch Dampfbeheizung aufrechterhält. 15 gewaschen und in den Reaktor eingesetzt. Diese Heißdampf von einem Druck, welcher der aufrecht- Legierungen sind nur wenig pyrophor, so daß es bei zuerhaltenden Temperatur entspricht, ist üblicher- Verwendung des noch feuchten Materials keiner beweise in den hier in Frage stehenden Industriean- sonderen Maßnahmen bei der Einfüllung des Katalagen sowieso vorhanden. Es genügt im allgemeinen, lysators in den Reaktor bedarf. Statt Aluminium das zu behandelnde Gas in einem Wärmeaustauscher 20 kann man auch Zink, Magnesium oder andere mit Dampf auf die gewünschte Temperatur — etwa Metalle als Legierungsbestandteile für das Nickel 200 bis 2200C — aufzuheizen und den eigenlichen verwenden. Die Katalysatoren bedürfen keinerlei Reaktionsraum durch einen Dampfmantel gegen Vorbehandlung vor der Verwendung. Man stellt den Wänneverluste zu schützen. Diese Apparatur ist mit dem Katalysator gefüllten Reaktor unter den geverständlicherweise außerordentlich einfach, und 25 wünschten Wasserstoffdruck, heizt durch Betätigung auf Meß- und Regeltechnik kann fast vollständig der Dampfheizung auf die gewünschte Temperatur verzichtet werden. auf und stellt den vorgesehenen Gasdurchgang ein.It has now been found that small amounts of nickel-aluminum or nickel-magnesium-alloy-carbon oxide can advantageously be obtained from hydrogen. In most cases, the assumption is made here from gases containing nickel, in which up to 2% aluminum alloys, in which the nickel content is contained, can be removed if the amount is between 20 and 80%. Bridging pieces of these Legangsgases at 180 to 230 0 C over fixed io alloys are treated with alkaline solutions, Raney nickel catalysts are conducted and here, for example, with 1% sodium hydroxide solution, and gases with space velocities of 5000 to about 3 are dissolved up to 30%, advantageously 7 to 15%, 15,000 normal gas per liter of catalyst per hour of the aluminum contained in the alloy passes over the catalyst and the reactor. The alloy is then maintained at water temperature by steam heating. 15 washed and inserted into the reactor. This superheated steam at a pressure that of the upright- alloys are only slightly pyrophoric, so that it corresponds to the temperature to be maintained, is more common available. It is generally sufficient to put lysators in the reactor. Instead of aluminum, the gas to be treated in a heat exchanger 20 can also be used to heat zinc, magnesium or others with steam to the desired temperature - for example metals as alloy components for the nickel 200 to 220 0 C - and use the actual temperature. The catalysts do not require any reaction space in the form of a steam jacket against pretreatment prior to use. One puts the heat losses to protect. This apparatus is filled with the catalyst under the naturally extremely simple, and 25 desired hydrogen pressure, heats by actuation of measurement and control technology, the steam heating to the desired temperature can be almost completely dispensed with. and adjusts the intended gas passage.
Bei den elektrisch beheizten Methanisierungsan- Hinter dem Reaktor kühlt man auf RaumtemperaturIn the case of the electrically heated methanation system, the reactor is cooled to room temperature
lagen hat es sich als sehr schwierig erwiesen, mit ge- ab, wobei sich das durch die Reduktion des Kohlen-it has proven to be very difficult to reduce the amount of carbon
ringeren Durchsätzen zu arbeiten als denen für die 30 oxids gebildete Wasser ausscheidet. Wenn es notwen-to work lower throughputs than those for the 30 oxides formed water excretes. If necessary
die Anlage ausgelegt worden ist. Die Abstrahlungs- dig ist, kann man auch zwecks weitergehender Ent-the system has been designed. The radiation is dig, one can also for the purpose of further development
verluste werden dann zu groß, und die Temperatur terming des Wassers auf tiefere TemperaturenLosses then become too great and the temperature of the water drops to lower temperatures
fällt ab. Bei der beschriebenen Dampfbeheizung hin- kühlen.falls off. Cool down with the steam heating system described.
gegen bleibt die Temperatur in allen Belastungs- Das einzusetzende Wasserstoffgas muß weitgehend bereichen von 0 bis zur zulässigen Höchstgrenze 35 frei sein von Schwefelwasserstoff und leicht zersetzkonstant, liehen organischen Schwefelverbindungen. Es sollagainst remains the temperature in all exposure The hydrogen gas to be used must largely ranges from 0 to the maximum permissible limit 35 be free of hydrogen sulfide and easily decomposed, borrowed organic sulfur compounds. It should
Trotz dieser niedrigen Arbeitstemperaturen sind auch keine größeren Mengen Basen (Ammoniak
die erzielten Methanisierungswirkungen sehr gut. bzw. Amine) enthalten. Die Katalysatoren haben
Man arbeitet im allgemeinen bei Drücken zwischen eine sehr lange Lebensdauer. Noch nach monate-5
bis 50 Atm, doch kann man auch, wenn das Roh- 40 langem Betrieb ist kein Nachlassen der Aktivität
gas bei höheren Drücken zur Verfügung steht, bei festzustellen. Sollte durch irgendeine Störung die
höheren Drücken arbeiten. Arbeitet man beispiels- Katalysatoraktivität nachgelassen haben, so ist es in
weise bei 30 Atmosphären Druck, so können ohne einfacher Weise möglich, die Katalysatoren zu noch-Schwierigkeiten
und mit vollauf befriedigenden maligem Gebrauch verwendungsfähig zu machen, inResultaten
stündliche Durchsätze von 5 bis 15 Nm3 45 dem man sie erneut der Laugenbehandlung unter-Wasserstoffgas
pro Liter Katalysator gefahren wer- wirft und durch Herauslösen von weiterem Aluminiden.
Auch bei Drücken von 10 Atm sind noch stund- um neue aktive Nickelzentren bildet,
liehe Durchsätze von 5 bis 10 Nm3 pro Liter Kataly- Aus der deutschen Auslegeschrift 1110147 war es
sator zu erzielen. bereits bekannt, Gasgemische, die im wesentlichenDespite these low working temperatures, there are also no large amounts of bases (ammonia, the methanation effects achieved, or amines) are contained. The catalysts have a very long service life. They are generally operated at pressures between. Still after months -5 to 50 atm, but one can also, if the raw 40 long operation is no decrease in the activity gas is available at higher pressures, at. Should the higher pressures work due to some malfunction. If, for example, the catalyst activity has decreased, it is in wise at 30 atmospheres pressure, so it is easily possible to make the catalysts usable with still difficulties and with fully satisfactory use, resulting in hourly throughputs of 5 to 15 Nm 3 45 which they are again subjected to the alkali treatment under hydrogen gas per liter of catalyst and by leaching out further aluminides. Even at pressures of 10 atm, new active nickel centers are formed for hours,
Borrowed throughputs of 5 to 10 Nm 3 per liter of catalyst From the German Auslegeschrift 1110147 it was to be achieved. already known, gas mixtures that essentially
Das rohe Wasserstoffgas enthält — wie bereits 5° nur Kohlendioxyd und Wasserstoff enthalten, zuThe crude hydrogen gas contains - as already 5 ° only contain carbon dioxide and hydrogen
oben erwähnt — im allgemeinen 0,1 bis 2% Kohlen- metanisieren. Bei diesem Verfahren werden jedochmentioned above - generally 0.1 to 2% carbon metanize. However, with this procedure
oxid, häufig 0,3 bis 0,8%. Mit der beschriebenen relativ geringe Durchsätze angewandt, und es wirdoxide, often 0.3 to 0.8%. With the described relatively low throughputs applied and it will
Arbeitsweise liegt der Kohlenoxidgehalt des metha- trotzdem lediglich ein Umsatz von 98 Vo erreicht,The method of operation is the carbon oxide content of the metha- nevertheless only a conversion of 98 Vo is achieved,
nisierten Wasserstoffgases bei weniger als 5, zu- Allerdings wird in dieser Veröffentlichung auch be-nized hydrogen gas at less than 5, however, in this publication it is also
meist unterhalb 2 ppm, und zwar sehr konstant, 55 schrieben, CO2-haltige Gase mit einem CO-Gehaltmostly below 2 ppm, and in fact very constant, 55 wrote, CO 2 -containing gases with a CO-content
was sicher auch zurückzuführen ist auf die in so ein- <3% mit Wasserstoff über Raney-Nickel-Katalysa-which is certainly due to the fact that in so one <3% with hydrogen via Raney nickel catalysis
facher Weise konstant gehaltene Temperatur. toren zu leiten. Da jedoch über die Reaktionsweisetemperature kept constant in several ways. directing gates. Since, however, about the way of reacting
Man verwendet fest im Reaktionsraum angeord- dieser CO-Verunreinigung nichts mitgeteilt wird,
nete Katalysatoren, wobei Kugeln, Würstchen oder konnte diese Vorveröffentlichung dem Fachmann
Pillen in Frage kommen sowie unregelmäßig ge- 60 keinen Hinweis darauf geben, dieses Verfahren unformte
Bruchstücke von Größen zwischen 2 bis abhängig vom CO2-Gehalt mit den erfindungsgemä-10
mm, zumeist 3 bis 6 mm. Vorteilhafterweise führt ßen hohen Durchsätzen hinsichtlich der CO-Entferman
das zu behandelnde Gas im Abwärtsstrom durch nung zu erproben und auszuführen,
den in einem senkrechten Rohr befindlichen Katalysator. 65 BeispielThis CO contamination is fixed in the reaction space and nothing is reported, called catalysts up to depending on the CO 2 content with the 10 mm according to the invention, mostly 3 to 6 mm. Advantageously, high throughputs with regard to the CO removal lead to the gas to be treated in the downward flow through voltage testing and execution,
the catalyst located in a vertical tube. 6 5 Example
Als Katalysatoren kann man Raney-Nickel selbstRaney nickel itself can be used as a catalyst
verwenden und dieses beispielsweise in Pillenform Durch Zusammenschmelzen von 70 Teilen Aluüberführen. Es ist aber zweckmäßiger, nicht bis zur minium und 30 Teilen Nickel wurde eine Legierunguse and transfer this, for example, in pill form by melting together 70 parts of aluminum. But it is more appropriate not to the minium and 30 parts of nickel became an alloy
hergestellt, und diese wurde nach dem Erkalten zu Bruchstücken von 3 bis 6 mm zerkleinert. Diese Bruchstücke wurden mit l*/oiger Natronlauge so angeätzt, daß 10°/o des in der Legierung enthaltenen Aluminiums in Lösung gingen. Danach wurden die behandelten Bruchstücke mit Wasser gewaschen und nach Abtropfen des Wassers feucht in den Reaktor eingesetzt. Dieser bestand aus einem Stahlrohr von 51 mm lichter Weite, die Kontaktschichthöhe betrug 550 mm; Kontaktvolumen 11. Das Kontaktrohr war mit einem Dampfmantel ausgestattet. Das zu behandelnde Wasserstofigas wurde in einem ebenfalls dampfbeheizten Vorheizer aufgeheizt. Der Druck des Heizdampfes betrug 17 Atm, und es stellte sich im Reaktionsraum eine Temperatur von 2000C ein. Eingesetzt wurde ein Wasserstoffgas, das 0,3 Volumprozent Kohlendioxyd enthielt, sonst waren in dem Gas 20% Methan und 3«/o Stickstoff enthalten. Der Arbeitsdruck betrug 30 Atm. Durchgeleitet wurden stündlich 10 Nm3 dieses Wasserstoff gases. Das den Reaktor verlassende Wasserstoffgas wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, und in einem angeschlossenen Abscheider wurde das gebildete Wasser abgetrennt. Das methanisierte Wasserstoffgas enthielt 1 ppm Kohlenoxid. 25produced, and this was crushed into fragments of 3 to 6 mm after cooling. These fragments were etched with 10% sodium hydroxide solution so that 10% of the aluminum contained in the alloy went into solution. The treated fragments were then washed with water and, after the water had dripped off, were placed in the reactor while still moist. This consisted of a steel tube with a clear width of 51 mm, the contact layer height was 550 mm; Contact volume 11. The contact tube was equipped with a steam jacket. The hydrogen gas to be treated was heated in a preheater, which was also steam-heated. The pressure of the heating steam was 17 atm, and a temperature of 200 ° C. was established in the reaction space. A hydrogen gas was used which contained 0.3 percent by volume of carbon dioxide, otherwise the gas contained 20 percent methane and 3% nitrogen. The working pressure was 30 atm. 10 Nm 3 of this hydrogen gas were passed through every hour. The hydrogen gas leaving the reactor was cooled to room temperature and the water formed was separated off in a connected separator. The methanated hydrogen gas contained 1 ppm carbon oxide. 25th
Claims (3)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1110147;
Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Auflage, Bd. DC, S. 274.Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1110147;
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Edition, Vol. DC, p. 274.
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