DK169696B1 - Fremgangsmåde til køling af syntesegas i en katalytisk reaktor - Google Patents

Description

DK 169696 B1 - 1 -

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til køling af syntesegas ved katalytiske reaktioner og af den i krav l's indledning angivne art.

Mange katalytiske processer gennemføres i reaktorer, der indeholder et eller flere lejer af katalysatorpartikler. En del af disse processer forløber eksotermt med en kraftig varmeudvikling. For at opretholde et højt udbytteniveau og for at undgå destruktion af katalysatoren ved for høje temperaturer i reaktoren er det nødvendigt ved disse processer at bortskaffe syntesevarme i det mindste fra dele af katalysatorlejerne.

Dette opnås konventionelt, enten ved indirekte køling af den reagerende syntesegas ved varmeveksling med et kølemiddel eller ved direkte køling med tilførsel af kold gas, almindeligvis frisk syntesegas, gennem distributions- og fordelingsaggregater monteret imellem katalysatorlejerne. Såfremt katalysatoren findes som et kontinuert leje i reaktoren, som eksempelvis i den kendte "Kellogg"-type reaktor, tilføres kølegassen i selve katalysatormassen.

Ved de kendte metoder til direkte køling af reagerende syntesegas tabes kostbart reaktionsvolumen til det for tilførsel og opblanding af køle- og syntesegas nødvendige frivolumen mellem katalysatorlejerne.

Ved kølegastilførslen direkte i katalysatormassen er ulemperne en uhensigtmæssig fordeling af kølegasstrømmen i lejet med store lokale variationer i strømningshastigheden og blandingsforholdene mellem kølegas og reagerende syntesegas til følge.

Ovennævnte ulemper ved de konventionelt designede reaktorer giver anledning til problemer under driften af disse, bl.a. en uhensigtmæssig udnyttelse af den kostbare højtryksreaktorskal, forøget tryktab, samt dannelse af biprodukter som følge af katalysatornedbrydning ved utilstrækkelig køling i dele af katalysatormassen.

- 2 - DK 169696 B1

Det er af interesse at ombygge reaktorer med direkte tilførsel af kølegas med fordelings- og blandeaggregater for at opnå en bedre køling og en øget produktionskapacitet.

Det har nu vist sig, at problemerne og ulemper ved direkte køling og tilførsel og opblanding af kølegas kan undgås ved at udnytte en ved aktivering af mange katalysatortyper forekommende skrumpning af katalysatormassen.

Herved opstår hulrum i den aktiverede katalysatormasse, der passende kan udnyttes til tilførsel og opblanding af kølegas i den øvrige gasstrøm uden at spilde dyrt reaktorvolumen, som ved de kendte metoder. Her skabes kunstigt rum til opblanding af gasserne før katalysatoren aktiveres.

Skrumpning af katalysatormassen skyldes reduktion af katalysatorpartiklernes metaloxidiske bestanddele, når disse under aktivering bestryges af reducerende gas, der ved katalysatoraktivering sendes gennem reaktoren.

Med udgangspunkt i ovenstående fænomen tilvejebringes ved opfindelsen en fremgangsmåde til køling af syntesegas i en katalytisk reaktor med flere katalysatorlejer af metal katalysatorpartikler hvilende på en gasper-meabel mellembund, der er forsynet med distributionsaggregater, ved hvilken fremgangsmåde syntesegassen under dens passage gennem reaktoren opblandes med en kølegas, der gennem distributionsaggregaterne føres til opblandingsrum under hver mellembund. Fremgangsmåden er ejendommelig ved at opbl åndings rummene er tilvejebragt ved at sende en reducerende gas gennem lejer af metaloxidiske katalysatorpartikler af den art, der skrumper ved reduktion, således at katalysatorpartiklerne reduceres til frit metal med skrumpning til følge, hvorved der under hver mellembund dannes det til opblandingsrummene nødvendige volumen.

- 3 - DK 169696 B1 I praksis udføres opfindelsen ved i reaktoren at indlægge en eller flere mellembunde tilsluttet eller forsynet med gasdistributions- og blandingsaggregater og udfylde rummene mellem bundene med ikke-aktiverede katalysatorpartikler. Efter katalysatorindfyldningen sendes reducerende gas af eksempelvis en hydrogen/kvælstofblanding gennem katalysatormassen. Herved reduceres metaloxiderne i katalysatoren til frie metaller med en skrumpning af det samlede katalysatorvolumen til følge.

Fremgangsmåden er særlig velegnet ved udførelse af kølede eksoterme processer, der katalyseres af ovennævnte katalysatortyper, især katalytisk syntese af metanol, der foregår eksotermt ved omsætning af kuloxider og hydrogen over metaloxid katalysatorer hovedsageligt baseret på zinkoxid, kobberoxid, kromoxid og aluminiumoxid. Disse metaloxider skrumper ved reduktion under aktivering med op til 20 volumen procent.

Ved katalysatortyper, der udviser kun ringe skrumpning under aktiveringen som beskrevet ovenfor, er det muligt at anbringe i selve katalysatormassen eller separat derfra partikler, der skrumper eller på anden måde fjernes ud af katalysatormassen uden at disse partikler deltager i den katalytiske virkning ved den efterfølgende synteseproces .

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende Eksempel:

Eksempel I Eksemplet etableres et blanderum i en direkte kølet metanolreaktor ved en specifik udførelsesform af opfindelsen.

- 4 - DK 169696 B1 I en metanolsyntesereaktor med en indre diameter på 3 meter anbringes 100 m3 metanolkatalysator. Metanolkatalysatoren er baseret på zink- og kobberoxider og er kommercielt tilgængelig fra Haldor Topsøe A/S under navnet "MK-101".

Katalysatoren anbringes i reaktoren ved følgende procedure:

Ved et første trin lades en portion på 70 m3 katalysator i reaktoren som et bundleje med en højde på ca. 5 meter.

På toppen af lejet lægges et gasdistributionsaggregat i form af et trådnetgitter forsynet med gasfordelingskanaler og med en størrelse og form, der svarer til reaktorens indre tværsnitsareal. Trådnetgitteret svejses fast på reaktorens væg. I et -efterfølgende trin hældes resten af katalysatoren ovenpå trådnetgitteret til etablering af et topkatalysatorleje med en højde på ca. 2 meter. Efter katalysatoren er anbragt lukkes reaktoren og en reducerende gas bestående af 0,2-4 vol% hydrogen og metan eller nitrogen som rest sendes ved en temperatur på 160-260°C med en rumhastighed på 400-5000 pr. time i 12-48 timer gennem reaktoren.

Herved reduceres metaloxiderne i katalysatoren til den frie metalform, som er den egentlige katalytisk aktive form af katalysatoren.

Volumen af katalysatorens metalliske form er efter ovenstående behandling 13 vol% mindre end det oprindelige volumen af metaloxidformen. Ved denne volumenformindskelse reduceres højden af katalysatorlejerne og et hulrum på ca.

9 m3 svarende til en højde på 0,65 m dannes på toppen af bundkatalysatorlejet under trådnetgitteret. Dette hulrum anvendes herefter som blandingsrum for en kølegas der blandes i procesgassen, når denne forlader topkatalysator-lejet, og strømmer gennem trådnetgitteret ind i hulrummet.

Claims (4)

1. Fremgangsmåde til køling af syntesegas i en katalytisk reaktor med flere katalysatorlejer af metal katalysatorpartikler hvilende på en gaspermeabel mellembund, der er forsynet med distributionsaggregater, ved hvilken fremgangsmåde syntesegassen under dens passage gennem reaktoren opblandes med en kølegas, der gennem distributionsaggregaterne føres til opblandingsrum under hver mellembund, kendetegnet ved, at opblandingsrummene er tilvejebragt ved at sende en reducerende gas gennem lejer af metaloxidiske katalysatorpartikler af den art, der skrumper ved reduktion, således at katalysatorpartiklerne reduceres til frit metal med skrumpning til følge, hvorved der under hver mellembund dannes det til opblåndingsrummene nødvendige volumen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kølegassen er frisk syntesegas.

3. Fremgangsmåde ifølge kravene 1 og 2, kendetegnet ved, at syntesegassen omfatter carbonoxider og hydrogen til fremstilling af metanol.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at opblandingsrummene yderligere er tilvejebragt ved at katalysatorlejerne indeholder andre partikler af den art, der skrumper eller går i opløsning ved passagen af den reducerede gas gennem katalysatorlejerne.