DE2824061A1

DE2824061A1 - Adiabatischer reaktor und dessen verwendung in einem verfahren zur durchfuehrung von exothermen reaktionen

Info

Publication number: DE2824061A1
Application number: DE19782824061
Authority: DE
Inventors: Joseph Andrew Kleinpeter
Original assignee: Continental Oil Co
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1586139A; US4123448A; ZA783158B

Description

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Reaktor, sie betrifft insbesondere einen verbesserten adiabatischen Reaktor für exotherme katalytische Reaktionen, der eine Einrichtung zum Einspritzen einer Vielzahl von Reaktantenstr'ömen in den Reaktor an einer Vielzahl von Stellen aufweist, um dadurch den Wirkungsgrad des Reaktors zu verbessern. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verbesserung der Wirksamkeit bzw. des Wirkungsgrades eines adiabatischen Reaktors, der für exotherme katalytische Reaktionen verwendet wird.

Bei den verschiedensten industriellen Anwendungszwecken werden

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TElEFON (Ο3Θ)

TELEX O5-2B3B0

TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOPIERER

adiabatische Reaktoren bzw. Reaktionsgefäße (nachfolgend stets als Reaktoren bezeichnet) für exotherme katalytische Reaktionen verwendet. Bei der Umsetzung von Kohlenoxid mit Wasserstoff zur Herstellung von Methan Werden beispielsweise adiabatische Reaktoren für die katalytische Umsetzung der Kohlenoxide mit Wasserstoff zur Herstellung von Methan verwendet. Bei diesen Reaktionen Werden große Wärmemengen freigesetzt und dies führt dazu, daß der Beschickungsstrom für den Reaktor normalerweise auf eine solche Zusammensetzung eingestellt wird, daß eine vollständige Umsetzung der Reaktanten in dem Strom zu einer Temperatur in dem Katalysatorbett führt, die unterhalb der vom Katalysator tolerierbaren Maximaltemperatur liegt. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei solchen Reaktoren zu Beginn nur ein kleiner Teil des Katalysatorbettes verwendet wird und daß die Reaktionsprodukte einschließlich des eventuell gebildeten Wassers und dgl. den Rest des Katalysatorbettes durchströmen, wodurch die Masse des Katalysatorbettes nachteiligen Effekten ausgesetzt wird, die aus dem Durchgang von beträchtlichen Mengen an erhitzten Dämpfen einschließlich Wasser durch den Katalysator zur Folge hat, ohne daß ein erhöhter Wirkungsgrad (Wirksamkeit) der Reaktion auftritt· Frühere Versuche, die Temperatur in dem Reaktor zu modifizieren, bestanden darin, Verdünnungsmittelströme oder gegebenenfalls Ströme von zusätzlichen Reaktantenmaterialien an bestimmten Stellen innerhalb des Katalysatorbettes zuzuführen.

Es wurde nun gefunden, daß ein verbesserter Katalysatorwirkungsgrad bzw. eine verbesserte Katalysatorwirksamkeit erzielt wird durch Verwendung eines Reaktors, der eine Katalysatorzone, Einspritzeinrichtungen, die entlang der Länge der Katalysatorzone

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angeordnet sind, und eine Vielzahl von Temperatursensoren, die entlang der Katalysatorzone angeordnet sind, aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß den Temperatursensoren eine Temperaturüberwachungseinrichtung operativ so zugeordnet (assoziiert) ist, daß die Temperatur in einem Katalysatorbett, das in der Katalysatorzone angeordnet ist, überwacht wird, um die Stellen innerhalb des Katalysatorbettes herauszufinden, cn denen die Katalysatorbettemperatur einen praktisch konstanten Wert erreicht hat, wobei die Temperaturüberwachungseinrichtung operativ zugeordnet bzw. assoziiert ist mit einer Einspritzkontrolleinrichtung, so daß zusätzliche flüssige bzw. fließfähige Reaktantenströme in die konstanten Temperaturzonen in dem Reaktor eingespritzt werden.

Bei Verwendung solcher Reaktoren werden die Reaktanten in ein erstes Ende des Reaktors eingespritzt und die Temperatur in dem Reaktor wird überwacht, um die Länge des Katalysatorbettes zu bestimmen, die erforderlich ist, damit der Reaktantenstrom im wesentlichen ein Gleichgewicht erreicht. Dann werden jenseits des Punktes, an dem das Gleichgewicht erreicht ist, zusätzliche Reaktantenströme eingespritzt und die Temperatur wird überwacht, bis die kombinierten Ströme im wesentlichen ein Gleichgewicht erreichen. Eine Vielzahl solcher Gleichgewichtspunkte und Einspritzungen kann dazu verwendet werden, um praktisch die gesamte Länge des Katalysatorbettes für die Reaktion auszunutzen.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einem verbesserten adiabatischen Reaktor für exotherme katalytische Reaktionen,

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wobei die Verbesserung dieses Reaktors darin besteht, daß er mehrere Einspritzeinrichtungen zum Einspritzen von zusätzlichen Reaktantenströmen in den Reaktor an einer Vielzahl von Stellen, an denen die Reaktion praktisch vollständig ist, aufweist, sowie in einem Verfahren, in dem dieser Reaktor verwendet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen verbesserten Reaktors;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Reaktantenstrom-Einspritz·*· anordnung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors, bei der die Zusammensetzung des Reaktantenstromes eingestellt wird; und

Fig. 4 ein Diagramm, welches das Temperaturprofil in einem Katalysatorbett, wie es in dem erfindungsgemäßen verbesserten Reaktor verwendet wird, zeigt.

In den Fig. 1 bis A der beiliegenden Zeichnungen werden nachfolgend für die gleichen oder ähnliche Komponenten stets die gleichen Bezugsziffern verwendet.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung den verbesserten erfindungsgemäßen Reaktor 10. Der Reaktor 10 umfaßt ein erstes

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Ende 12 und ein zweites Ende 14 mit einer zwischen dem ersten Ende 12 und dem zweiten Ende 14 angeordneten Katalysatorzone 16. Der Reaktor 10 umfaßt in der dargestellten Form ein Einlaßrohr 20, eine Einlaßstromverteilungsplatte 22, einen Katalysatorträger 28 und ein Auslaßrohr 26 und er ist mit einer Vielzahl von Einspritzeinrichtungen 32 ausgestattet, die zwischen dem ersten Ende 12 und dem zweiten Ende 14 des Reaktors angeordnet sind. Di? Einspritzeinrichtungen 32 bestehen aus Einspritzrohren 34, die in FlUssigverbindung bzw. Fluidverbindung mit einem Reaktantenzutührungsrohr 36 und der Katalysatorzone 16 stehen, wobei die Durchfiußrohre 34 durch Einspritzkontrollventile 54 gesteuert (geregelt) werden. Die Einspritzeinrichtungen 32 sind so angeordnet, daß zwischen einem ersten Ende 38 der Katalysatorzone 16 und einem zweiten Ende 40 der Katalysatorzone 16 Reaktantenströnie eingespritzt werden. Der Reaktor 10 ist auch mit einer Vielzahl von Temperatursensoren 42 ausgestattet, die so angeordnet sind, daß sie die Temperatur in der Katalysatorzone 16 messen und die mit einer Vielzahl von Verbindungselementen 44* mit einem Anschlußbündel 44 in Verbindung stehen, das in elektrischem Kontakt mit einer Ternperaturüberwachungseinrichtung 46 steht. Die Temperaturüberwachungseinrichtung 46 ist über eine Verbindungseinrichtung 50 mit einer Einspritzkontrolleinrichtung 48 operativ verbunden. Die Einspritzkontrolleinrichtung 48 ist über ein Anschlußbündel 52 und eine Vielzahl von Verbindungseinrichtungen 52' mit einer Vielzahl von Einspritzkontrollventilen 54 operativ verbunden.

In der Fig. 2 ist eine Einspritzeinrichtung 32 dargestellt. Die Einrichtung 32 umfaßt ein Einspritzrohr 34, das in Flüssigyerbindung

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bzw. Fluidverbindung steht mit dem Reaktor 10 und eine· Reaktantenzuführungsrohr 36 mit einem Einspritzkontrollventil 54, das in dem Rohr 34 angeordnet ist. Ein Wassereinspritzrohr 56, das ein Wassereinspritzkontrollventil 58 enthält, steht in FlUssigverbindung bzw. Fluidverbindung mit einer Wasserzufuhr (nicht dargestellt) und den Rohr 34, so daß der Wassergehalt in den eingespritzten Reaktantenströmen variiert werden kann. Daraus geht eindeutig hervor, daß auch andere Reaktanten oder inerte Verdünnungsmittel/ wie Methan und dgl., durch die Leitung 56 in einen Re^ktantenstrom in der Leitung 34 eingespritzt werden können, obgleich sich die nachfolgende Diskussion nur auf die Änderung des 'Wassergehaltes in dem Reaktantenstrom in der Rohrleitung 34 erstreckt.

In der Fig. 3 ist in schematiseher Form eine andere Ausfuhrungsform des Reaktors 10 dargestellt. In einer Reaktantenzuführungsleitung 72 ist ein Kondensator 60 vorgesehen, um den Wassergehalt eines Reaktantenbeschickungsstromes zu variieren. Zur Steuerung der Menge des in den Reaktor 10 und in einen zweiten Kondensator 64 eingeführten 'Beschickungsstromes ist ein Ventil 62 vorgesehen. Der zweite Kondensator 64 steht in Flüssigverbindung bzw. Fluidverbindung mit einer Reaktantenzuführungsleitung 36, die mit drei Gruppen von Einspritzeinrichtungen 32 verbunden ist, zua Einspritzen von ReaktantenbeschickungsstrÖmen in drei Zonen des Reaktors 10» Selbstverständlich kann auch eine Vielzahl von solchen Zonen vorgesehen sein oder die Einspritzeinrichtungen können einzeln ait der Reaktantenzuführungsleitung 36 verbunden sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Verwendung der Kondensatoren 60 und 64 erlaubt die Änderung des Wassergehaltes des durch die Einspritzeinrichtung en

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32 in den Reaktor 10 eingeführten Reaktantenstromes. Außerdem sind Einrichtungen zum weiteren Variieren der Zusammensetzung der eingeführten Reaktantenströtne vorgesehen in Form von Leitungen 68, die mit den Leitungen 36' verbunden sind, die in Flüssigverbindung (Fluidverbindung) mit der Leitung 36 stehen. Zur Regulierung des Stromes von Verdünnungsmitteln, anderen Reaktanten oder dgl., die durch die Leitungen 68 strömen., sind Kontroll ventile (Steuerventile) 70 vorgesehen. Die Zusammensetzung der Reaktcntenströme kann somit auf verschiedene Weise innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung variiert werden.

In der Fig. 1 sind Reaktantenbeschickungsverteilungseinrichtungen 78 in Konjugation mit Einspritzeinfichtungen 32 so dargestellt, daß die eingespritzten Reaktanten verhältnismäßig gleichmäßig über die Querschnittsfläche eines Katalysatorbettes 80 an dem Einspritzpunkt verteilt Werden. Dies ist offensichtlich erwünscht, um zu verhindern, daß lokale Zonen mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit, einer hohen Temperatur und dgl. entstehen. Diese Zonen mit einer hohen Temperatur und dgl. sind nachteilig tür viele Katalysatoren, die für solche Reaktionen verwendet werden.

Das Katalysatorbett 80 ist in der Regel in der Reaktionszone 16 angeordnet und es wird vom Benutzer des Reaktors im Hinblick auf die in Betracht gezogene Reaktion unter den wirksamen Katalysatoren ausgewählt.

Bei der Verwendung des Reaktors 10 wird durch die Reaktantenbeschickungsleitung 72, das Einlaßrohr 20 und den Strömungsverteiler

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22 ein Reaktantenbeschickungsstrom in den Reaktor 10 eingeleitet. Wenn in dem Katalysatorbett 80 eine Reaktion auftritt, steigt die Temperatur in dem Katalysatorbett 80 bis zu einem praktisch konstanten Wert, der durch die Zusammensetzung, die Temperatur und den Druck des eingespritzten Reaktantenbeschickungsstromes bestimmt wird. Sobald die Reaktion praktisch beendet ist, nimmt die Temperatur innerhalb des Restes des Reaktors 10 einen im wesentlichen konstanten Wert an. Die Temperatursensoren 42 werden durch die Temperaturüberwachungseinrichtung 46 überwacht, um Zonen i?it einer praktisch konstanten Temperatur zu ermitteln, und wenn solche Zonen festgestellt werden, werden zusätzliche Reaktcntenmaterialien durch eine in diesen Zonen mit der praktisch konstanten Temperatur angeordnete Einspritzeinrichtung eingeführt. Zweckmäßig Werden die zusätzlichen Reaktanten in einem gewissen vorgegebenen Abstand jenseits des Punktes, an dem die Reaktion im wesentlichen ein Gleichgewicht erreicht hat, was durch das Erreichen einer praktisch konstanten Temperatur angezeigt wird, eingespritzt. Die Einspritzung der Reaktantenmaterialien führt in der Regel zu einem beträchtlichen Temperaturabfall an dem Einspritzpunkt (die Reaktanten haben im allgemeinen eine Temperatur, die unterhalb der Katalysatorbettemperatur liegt), wobei die Temperatur wieder bis zu einem praktisch konstanten Wert ansteigt, Wenn die zusätzlichen Reaktanten miteinander reagieren, bis sie im wesentlichen ein Gleichgewicht erreichen. Wenn die Temperatur an diesem Punkte wiederum einen praktisch konstanten Wert erreicht hat.wird das Verfahren wiederholt, wobei eine Vielzahl von Einspritzungen durch die Einspritzeinrichtungen 32 angewendet wird, was dazu führt, daß praktisch die gesamte Länge des

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AS

Katalysatorbettes 80 für die Reaktion ausgenutzt wird. Die Überwachung des Temperaturprofils, die Kontrolle der Einspritzpunkte und dgl. können manuell durchgeführt werden, zweckmäßig Werden sie jedoch durch eine an sich bekannte automatisierte Verfahrenskontrolleinrichtung, wie z.B. Computer und dgl., durchgeführt.

Die Fig. 4 zeigt ein typisches Temperaturprofil bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es sei darauf hingewiesen, daß die Temperatur schnell ansteigt bis zu einem praktisch konstanten Wert, wenn die Reaktion auftritt, und aaß danach an den Punkten A, B und C zusätzliche Reaktanten eingespritzt werden, die bewirken, daß die Temperatur abfällt und danach wieder bis zu einem praktisch konstanten Wert ansteigt, wenn die Reaktion wiederum praktisch beendet ist.

Es ist sehr erwünscht, daß der Strom der Reaktionsprodukte das Katalysatorbett bei einer praktisch konstanten Temperatur verläßt. Mit anderen Worten, die Einspritzung von zusätzlichem Reaktantenmaterial sollte so eingestellt (kontrolliert) werden, UaB eine ausreichende Länge des Katalysatorbettes jenseits des letzten Reaktanteneinspritzpunktes verbleibt, so daß eine praktisch vollständige Reaktion erzielt wird.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung kann es in vielen Fällen zweckmäßig Sein, die Zusammensetzung der zugegebenen Reaktantenströme entlang der Länge des Katalysatorbettes SO gegenüber der Zusammensetzung des zu Beginn eingespritzten

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Wo

Reaktantenstromes zu variieren. Einrichtungen zur Einstellung der Zusammensetzung sind in der Fig. 2 gezeigt und sie umfassen eine Rohrleitungsanordnung, wodurch zusätzliche Reaktantenmaterialien durch eine Einspritzeinrichtung 32 eingespritzt werden können. Die Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung zur Einstellung der Zusammensetzung der Reaktantenbeschickungsströme und sie zeigt auch eine Änderung der Rohrleitungsanordnungen, die ir. einigen Fallen als zweckmäßig angesehen werden kann, wodurch die Einspritzeinrichtungen 32 mit getrennten Rohrleitungssystemen verbunden werden, um eine kontrollierte Beschickung in eine Vielzahl von Einspritzeinrichtungen einzuführen. Jede Reihe von Einspritzeinrichtungen ist auf eine bestimmte Zone gerichtet und die bei einer solchen Anordnung erzielte Flexibilität ist etwas geringer als bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. In einigen Fällen kann es jedoch zweckmäßig sein, diese Abänderungen zu verwenden, um eine größere Flexibilität in bezug auf die Variierung der Zusammensetzung des eingespritzen Reaktantenstromes entlang der Länge des Katalysatorbettes 80 zu erzielen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der durchgeführten Reaktion um eine Methanherstellungsreaktion, bei der Kohlenstoffoxide mit Wasserstoff über einem Katalysator in einer Reaktionszone umgesetzt werden unter Bildung von Methan.

Die Katalysatoren werden in der Regel unter solchen Katalysatoren ausgewählt, die bestehen aus oder enthalten Nickel, Kobalt und Mischungen davon, aufgebracht auf Aluminiumoxid, Siliciumdioxid,

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Kieselgur oder Mischungen dieser Katalysatorträger. Dem Fachmanne sind die verschiedensten derartigen Katalysatoren bekannt und sie brauchen hier nicht näher erörtert zu werden mit Ausnahme des Hinweises, daß diese Katalysatoren in dem erfindungsgemäßen Reaktor und in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden können. Einige dieser Katalysatoren sind in den US-Patentschriften 3 890 113 und 3 922 148 beschrieben.

Bei der Unisetzung der Kohlenstoffoxide mit Wasserstoff zur Herstellung von Methan Werden während der Reaktion beträchtliche Wärmemengen freigesetzt und daher ist der erfindungsgemäße Reaktor in idealer Weise für solche Reaktionen geeignet. Außerdem ist es bei diesen Reaktionen erwünscht, daß die Zusammensetzung der R_eaktantenströme so gesteuert (kontrolliert) wird, daß die Temperaturen in dem Reaktor unterhalb der Temperaturen gehalten Werden, bei denen der Katalysator zerstört wird. Es ist ferner erforderlich, daß die Zusammensetzung des Reaktantenstromes innerhalb dem Fachmanne bekannter Grenzen gehalten wird, so daß eine Kohlenstoffablagerung auf dem Katalysator, hohe Temperaturen und dgl. vermieden werden. Der Reaktantenstrom enthält in der Regel CO, CO₂, H₂/ H₂O, CH^, C₂H₄, C₂H₆, N₂u.dgLDer Reaktantenstrom wird allgemein auf eine solche Kohlenstoffoxid-Wasserstoff-Zusammensetzung eingestellt, daß die Kohlenstoffablagerung minimal gehalten wird und daß Katalysatorbettemperaturen unterhalb des Maximums möglich sind. Bei diesen Verfahren wurden bisher keine Anstrengungen gemacht, um den Punkt zu bestimmen, an dem die Reaktion beendet ist, so daß zusätzliche Reaktantenmaterialien an diesem Punkte eingespritzt werden können. Dies führt dazu, daß innerhalb des

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Katalysatorbettes eine frische Katalysatorcharge dem Strom der Wasser und dgl. enthaltenden Reaktionsprodukte bei einer hohen Temperatur für längere Zeiträume ausgesetzt ist, bevor der Katalysator benutzt wird. Wie dem Fachmanne bekannt, ist die Einwirkung des bei diesen Reaktionen gebildeten Gleichgevichtöwassers bei erhöhter Temperatur auf den Katalysator für diesen schädlich. Das heißt mit anderen Worten, die Reaktion ist praktisch innerhalb des ersten Teils des Katalysatorbettes beendet, während der Rest des Katalysatorbettes unbenutzt bleibt, bis der erste Teil des Katalysatorbettes verunreinigt oder anderweitig inaktiv gemacht worden ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dieser Nachteil überwunden und außerdem ist es damit möglich, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, die Zusammensetzung der Reaktantenströme so zu variieren, daß sie größere oder geringere Mengen Wasser enthalten, daß sie größere oder geringere Mengen Reaktantenmaterial pro Volumeneinheit enthalten als der ursprünglich eingespritzte Reaktantenstrom oder dgl. Zusammenfassend ergibt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Reaktor und ein verbessertes Verfahren zur Verwendung des verbesserten Reaktors, wodurch eine stark verbesserte Katalysatorwirksamkeit bzw. ein stark verbesserter Katalysatorwirkungsgrad erzielt wird und wodurch eine bisher unbekannte Flexibilität der Arbeitsweise erzielt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung keineswegs beschränkender Natur sind und daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und

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modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Viele dieser Abänderungen und Modifikationen sind für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich aufgrund der vorausgegangenen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und der nachfolgenden Beispiele·

Es wurde eine Reihe von Computertestläufen durchgeführt, welche die Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors und des erfindungs gemäSen Verfahrens simulierten, um die Arbeitsweise des erfindungsgenäßen Reaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erläutern.

Beispiel T

100 Mol eines gasförmigen Reaktantenstromes mit der in der nachfolgenden Tabelle I (A-, in) angegebenen Temperatur und der dort angegebenen Zusammensetzung wurden in eine Katalysatorzone in einem Reaktor eingespritzt und zur Reaktion gebracht unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung mit der in der nachfolgenden Tabelle I (A, eq) angegebenen Zusammensetzung und Temperatur. Stromabwärts von dem Punkt, an dem das Gleichgewicht erzielt wurde, wurden 100 Mol eines zweiten gasförmigen Reaktantenstromes mit der bei(A, in)angegebenen Zusammensetzung und Temperatur eingespritzt und mit dem Strom (A, eq) gemischt unter Bildung einer Reaktantenmischung mit der bei (A« in) angegebenen Temperatur und Zusammensetzung, die reagierte unter

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Bildung einer Gleichgewichtsmischung (A^ eq) rait der nachfolgend angegebenen Temperatur und Zusammensetzung. In entsprechender Weise wurden 100 Mol eines dritten gasförmigen Stromes mit der gleichen Temperatur und Zusammensetzung wie bei (A, in) angegeben eingespritzt und mit dem Strom (A„ eq) gemischt zur Herstellung einer Reaktantenmischung (A„ in), die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (A„ eq). 100 Mol eines vierten gasförmigen Stromes mit der gleichen Temperatur und Zusammensetzung wie bei (A-, in) angegeben wurden eingespritzt und mit dar Gieichgewichtsmischung (A,, eq) gemischt unter Bildung einer Recktcntenmischung (A, in), die reagierte unter Bildung ein°r Gieichgewichtsmischung (A, eq), bei der es sich um das Reaktorprodukt handelte.

Tabelle I

Strom

Ai in Ai eq

A₂ in A₂ eq

A₃ in A₃ eq

Αι» in Ai* eq

H₂ Mol %

15.85 4.08

CO

Mol % Mol %

CO₂ H₂O N₂

Mol % Mol % Mol %

C₂+ Temp., C| Mol % ("F.) i

74.08 84.37

10.19 79.03

4.12 84.34

8.23 80.75

4.16 84.31

7.25 81.61

4.20 84.28

2.84 0.05

1.50 0.06

1.03 0.06

0.79 0.06

1.74 2.79 2.47 0.23260(500) 0.94 7.89 2.67 Ο.Οθ427(δΟθ)

1.36
0.95

1.23
0.96

1.17
0.97

5.24 2.56
7.87 2.6'6

6.09
7.85

6.51
7.83

2.60
2.66

2.61
2.66

0.12 345(653) 0.00 427(800)

0.08 372(702) 0.00 426(799)

0.06 387(726) 0.00 426(798)

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Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden vier gleiche Ströme in einem Reaktor miteinander umgesetzt unter Ausnutzung praktisch der gesamten Länge des Katalysatorbettes anstelle nur des Teils des Katalysatorbettes, der zuerst mit den Reaktanten in Kontakt kommt. Der Reaktorwirkungsgrad (die Reaktorwirksamkeit) wurde ebenfalls verbessert, da der Temperaturanstieg nicht lokal war, es konnten dadurch größere Mengen an Kohlenmonoxid in dem Reaktor umgewandelt werden als in Reaktoren, in die nur eine einzige Stromcharge eingeführt wurde.

Beispiel 2

Es wurde eine ähnliche Reihe von Versuchen wie in Beispiel 1 durchgeführt, wobei diesmal jedoch die zur Herstellung der Ströme entsprechend (A« in), (A_ in) und (A. in) zugegebenen gasförmigen Ströme praktisch trocken waren. 100 Mol eines gasförmigen Stromes mit der in der nachfolgenden Tabelle II bei (B, in) angegebenen Zusammensetzung und Temperatur wurden in eine Katalysatorzone in einem Reaktor eingespritzt und zur Reaktion gebracht unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (B, eq). Stromabwärts von dem Punkt, an dem das Gleichgewicht erzielt wurde, wurden 100 Mol eines trockenen zweiten gasförmigen Reaktantenstromes, der die gleiche Zusammensetzung wie (B, in) auf einer Trockenbasis hatte, wurden eingespritzt und mit (B, eq) gemischt zur Herstellung einer Reaktantenmischung (B« in) mit der nachfolgend angegebenen Zusammensetzung und Temperatur, die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (B„ eq). 100 Mol eines trockenen dritten Reaktantenstromes mit der gleichen

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3&

Zusammensetzung wie bei (B., in) auf einer Trockenbasis wurden eingespritzt zur Herstellung einer Reaktantenmischung (B~ in), die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (B- eq). 100 Mol eines dritten trockenen gasförmigen Reaktantenstromes mit der gleichen Zusammensetzung wie bei (B, in) auf einer trockenen Basis wurden eingespritzt zur Herstellung einer Reaktionsmischung (B. in), die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (B. eq), bei der es sich um das Reaktorprodukt handelte·

To be He II

Strom	in	H₂ MoI	85	*CE it* MoI %	08	CO MoI %	CO₂ MoI %	H₂O MoI %	N₂ MoI %	C₂ + MoI %	Temp .,⁰C C⁰P)
Bi	eq	15.	08	74.	37	2	1.74	2.79	2.47	0.23	-i— y 260(500)
Bi	in	4.	42	84.	13	0	0.94	7.89	2.67	0.00	42/(80O)
B₂	eq	10.	97	80.	79	1	1.38	3.80	2.60	0.13	345(653)
B₂	in	3.	30	85.	43	0.	0.91	6.56	2.71	0.00	430(₈₀₆)
B₃	eq	8.	95	82.	26	1.	1.22	4.26	2.65	0.08	375(706)
B₃	in	3.	22	86.	59	0.	0.90	6.11	2.72	0.00	431 (807)
B,	eq	7.	96	83.	47	0.	1.14	4.79	2.67	0.06	390(733)
Β-	3.	86.	0.	0.90	5.87	2.73	0.00	431(808)
	.84
.05
.54
06
07
07
82
07

Der Vergleich des Wassergehaltes der den Reaktor in dem Beispiel 1 durchströmenden gasförmigen Ströme mit denjenigen in Beispiel 2 zeigt eindeutig, daß zwar die gleiche Menge CO umgesetzt worden ist, daß jedoch der Wassergehalt der gasförmigen Ströme in Kontakt mit dem Katalysator viel niedriger war. Da Wasser für die

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Katalysatorlebensdauer schädlich ist, dürfte die Anwendung des vorstehend erörterten Verfahrens in den meisten Fällen günstig sein in bezug auf die Verlängerung der Katalysatorlebensdauer bzw. -gebrauchsdauer.

Beispiel 3

ICO Mol eines gasförmigen Reaktantenstromes mit der in der nachfolgenden Tabelle III bei (C in) angegebenen Temperatur und Zusammensetzung wurden in ein Katalysatorbett in einem Reaktor eingespritzt und zur Reaktion gebracht unter Bildung einer Gleichgevicntsmischung mit einer Zusammensetzung und Temperatur, wie sie nachfolgend bei (C, eq) angegeben ist. 25 Mol eines trockenen gasförmigen Reaktantenstromes mit der nachfolgend bei (CU)angegebenen Zusammensetzung und Temperatur wurden eingespritzt und mit (C·, sq) gemischt unter Bildung eines Reaktantenstromes (<Xj in) mit der angegebenen Zusammensetzung und Temperatur, die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (CU eq). Weitere 25 Hol (C_?) wurden eingespritzt und mit (C2 eq) gemischt unter Bildung einer Reaktantenmischung (C₃ in), die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (CL eq). Es wurden weitere 25 HolfCp^eingespritzt und mit (CL eq) gemischt unter Bildung einer Reaktantenmischung (C, in), die reagierte unter Bildung einer Gleichgewichtsmischung (C, eq), bei der es sich um das Reaktorprodukt handelte.

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	om	H₂ MoI %	LS _ Γ« απ	co Mol %	CO₂ Mol %	H₂O Mol %	2824061	C₂+ Temp. ^£ Mol % (⁰F.)
	in eq	15.85 4.08	Tabelle III	2.84 0.05	1.74 0.94	2.79 7.89		2.47 260(500) 0.00 427(800)
S tr	in ec	65.02 17.24 9.06	CH ι» Mol %	14.72 3.17 0.41	5.00 1.80 1.89	0.00 6.22 9.57	N₂ Mol %	1.24 149(300) 0.26 387(728) 0.00 515(959)
Ci Ci	in eq	19.53 13.47	74.08 84.37	3.04 1.03	2.46 2.51	7.81 10.43	2.47 2.67	0.23 470(878) 0.00 5ό<1050)
C₂ C₂ C₂	in eq	21.93 17.06	11.93 66.98 76.60	3.23 1.72	2.91 2.87	8.75 10.97	1.09 2.33 2.47	0.20 520(969) 0.00 597ÖL107)
C₃ C₃			64.72 70.26			2.21 2.31
C, C,		60.87 65.19			2.11 2.19

Die Verwendung von Reaktantenströmen, die höhere Konzentrationen an Hp und CO enthielten, wie oben angegeben, führte zu einem verbesserten Reaktorwirkungsgrad in den Fällen, in denen der verwendte Katalysator Temperaturen von mehr als 538 C (1000 F) verträgt.

Beispiel 4

Es wurde eine weitere Reihe von Tests ähnlich denjenigen in Beispiel 3 durchgeführt, wobei diesmal jedoch der Strom(CU) in jedem Falle durch 10 Mol Methan ersetzt wurde und der erste Einlaßstrom reicher an CO und hL war als bei (C, in). Die erhaltenen Testergebnisse sind in der folgenden Tabelle IV angegeben.

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	in	H₂ Mol %	I	CO Mol %	CO₂ Mol %	-	I	C₂+ Temp., Mol % (°F.)
	eq	43.38		8.53	4.24			0.56 260(500)
	in	22.86	- 1-9--	3.09	3.32			0.00 648G.198)
	eq	20.46	SlS	2.77	2.97	H₂O Mol %	N₂ Mol %	149 (300) 0.00 593(ll00)
	in	19.10	Tabelle IV	2.17	3.08	1.88	1.68	0.00 618Cl143)
	eq	17.27	CH ι» Mol %	1.96	2.78	12.39	1.97	0.00 572Ö-061)
Strom	in	15.13	39.73	1.52	2.83	11.09	1.76	0.00 550(1094)
Ei	eq	14.71	56.37	1.39	2.58	11.70	1.78	0.00 53(1025)
Ei		13.75	100.00 60.95	1.07	2.57	10.58	1.61	0.00560(1050)
E₂ E₂		62.18		11.09	1.62
E₂		65.80		10.11	1.48
E₃	66.81		10.55	1.49
E₃	69.74
E.,	70.57
En

Reines Methan, in optimaler Weise recyclisiertes Produkt-SNG, wird zur Herabsetzung der Reaktortemperatur verwendet, Wenn an CO und H₉ reiche Reaktantenströme verwendet werden. Die Verwendung von Methaneinspritzungen dient dazu, die Reaktionstemperatur zu verringern, was günstig ist für höhere Methanausbeuten im Gleichgewichtszustand.

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L e e r s e i f e

Claims

fat e-:n tanw^.lte a. grunecker H. KINKELDEY CA-ING. W. STOCKMAIR K. SCHUMANN DR R£R NAT. - DtPL-PHVS, P. H. JAKOB G. BEZOLD DR BERN«:- DIPL-CHEM. 8 MÜNCHEN MAXIMILIANSTRASSE

1. Juni 1978 P 12 833

Patentansprüche

1. Adiabatischer Reaktor für exotherme, katalytische Reaktionen, der umfaßt:

a) eine Katalysatorzone, in der die Reaktanten exotherm miteinander reagieren unter Bildung von Reaktionsprodukten,

b) eine an einem ersten Ende des Reaktors angeordnete Einlaßeinrichtung zum Einlassen eines flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenstromes in die Katalysatorzone,

c) eine an einem zweiten Ende des Reaktors angeordnete Auslaßeinrichtung für den Abzug eines flüssigen bzw. fließfähigen Reaktionsproduktstromes aus der Katalysatorzone,

d) eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen mindestens eines zusätzlichen flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenstromes in die Katalysatorzone, wobei die Einspritzeinrichtung eine Vielzahl von Einspritzelementen umfaßt, die zwischen einem ersten Ende der Katalysatorzone und einem zweiten Ende der

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Katalysatorzone angeordnet sind, und

e) eine Vielzahl von Temperatursensoren, die in thermischer Verbindung mit der Katalysatorzone stehen, zur Bestimmung der Temperatur an einer Vielzahl von Stellen in der Katalysatorzone,

gekennzeichnet durch

f) eine Temperaturüberwachungseinrichtung (46), die mit den Temperatursensoren (42) operativ verbunden (assoziiert) ist, zur Bestimmung der Stellen in der Katalysatorzone (16), an denen die Temperatur einen praktisch konstanten Wert erreicht hat, und

g) eine Einspritzkontrolleinrichtung (54), welche die Temperaturüberwachungseinrichtung (46) operativ verbindet mit den Einspritzeinrichtungen (32) zum Einspritzen von zusätzlichen flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenströmen in die Katalysatorzone (16) durch mindestens eine der Einspritzeinrichtungen (32), die an mindestens einer der Stellen angeordnet sind, an denen die Temperatur einen praktisch konstanten Wert erreicht hat.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Wasserkontrolleinrichtung (58) aufweist, um die Wassermenge in den zusatzlichen flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenr strömen bei der gewünschten Konzentration zu halten.

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3. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines adiabatischen katalytischen Reaktors für exotherme Reaktionen, der aufweist

a) ein Katalysatorbett, das in dem Reaktor angeordnet ist,

in dem die Reaktanten exotherm miteinander reagieren unter Bildung von Reaktionsprodukten,

b) eine Einlaßeinrichtung, die an einem ersten Ende des Reaktors angeordnet ist,zum Einlaß eines flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenstromes in ein erstes Ende des Katalysatorbettes,

c) eine Auslaßeinrichtung, die an einem zweiten Ende des Reaktors angeordnet ist, für den Abzug eines flüssigen bzw. fließfähigen Reaktionsproduktstromes aus dem Katalysatorbett,

d) eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen mindestens eines zusätzlichen flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenstromes in das Katalysatorbett, wobei die Einspritzeinrichtung eine Vielzahl von Einspritzelementen aufweist, die entlang der Länge des Katalysatorbettes zwischen dem ersten Ende des Katalysatorbettes und dem zweiten Ende des Katalysatorbettes angeordnet sind, und

e) eine Vielzahl von Temperatursensoren, die in thermischer Verbindung mit dem Katalysatorbett stehen, zur Bestimmung der Temperatur an einer Vielzahl von Stellen in dem Katalysatorbett,

dadurch gekennzeichnet , daß man

f) einen ersten flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenstrom

in das erste Ende des Katalysatorbettes bei Reaktionsbedingungen so einführt, daß die Reaktanten miteinander reagieren

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unter Bildung von Reaktionsprodukten, wenn der Strom entlang der Länge des Katalysatorbettes in Richtung auf das zweite Ende des Katalysatorbettes strömt,

g) eine erste Stelle in dem Katalysatorbett bestimmt, an der die Katalysatortemperatur bis zu einem im wesentlichen konstanten Wert angestiegen ist,

h) einen zweiten Reaktantenstrom in das Katalysatorbett einspritzt zwischen der ersten Stelle und dem zweiten Ende des Katalysatorbettes und

i) einen flüssigen bzw. fließfähigen Reaktionsproduktstrom aus der Auslaßeinrichtung abzieht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man

5) eine zweite Stelle in dem Katalysatorbett bestimmt, an welcher die Katalysatortemperatur bis auf einen im wesentlichen konstanten Wert angestiegen ist, wobei die zweite Stelle zwischen dem Punkte liegt, an dem der zweite Reaktantenstrom eingeführt wird, und dem zweiten Ende des Katalysatorbettes, und

k) zwischen der zweiten Stelle und dem zweiten Ende des Katalysatorbettes einen dritten Reaktantenstrom einspritzt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Vielzahl von Stellen bestimmt, an denen die Temperatur in dem Katalysatorbett einen im wesentlichen konstanten

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Wert erreicht hat, und daß man zwischen mindestens zwei dieser Stellen mindestens einen zusätzlichen Reaktantenstrom einspritzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Katalysatorbettes an dem zweiten Ende des Katalysatorbettes einen im wesentlichen konstanten Wert erreicht hat.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man einen flüssigen bzw. fließfähigen Reaktantenstrom verwendet, der enthält oder besteht aus CO, CO₂, CH₄, H₂O, N₂, C₂H₄, C₂H₆ und H₂, und daß der flüssige

bzw. fließfähige Reaktantenproduktstrom Methan enthält.

8. Verfahren zur Verbesserung des V¹Zirkungsgrades eines adiabatischen katalytischen Reaktors für exotherme Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) in ein in dem Reaktor angeordnetes Katalysatorbett einen Reaktantenstrom einleitet,

b) die Länge des Katalysatorbettes bestimmt, die erforderlich ist, um die Reaktion des Reaktantenstromes im wesentlichen zu vervollständigen,

c) stromabwärts von dem Punkt, an dem eine praktisch vollständige Reaktion erzielt worden ist, einen zweiten Reaktantenstrom einspritzt und

d) einen Reaktionsproduktstrom abzieht.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Vielzahl von zusätzlichen Reaktantenströmen einspritzt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Reaktantenstrom verwendet, der enthält oder besteht aus CO, CO₂, H₂O, CH₄, N₃₇ C₂H₄, C₃H₅ und H^und daß der Produktstrom Methan enthält.

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