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Verfahren zur synthetischen Herstellung von Ammoniak.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die katalytische Erzeugung von Ammoniak durch direkte Synthese aus Wasserstoff und Stickstoff und hat zum Gegenstand, die Überhitzung dos Katalysators unter Anwendung hoher Ammoniakkonzentrationen mittels eines Ausgleiches der Hitze zu vermeiden.
Wenn ein Stiekstoff-Wasserstoffgemisch unter Druck und erhöhter Temperatur über einen Kata-
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keit des Gases und der Reaktionsfähigkeit von Anfang bis zum Ende des Kontaktes bis zu einem bestimmt- ten Gehalt an. Dieser Anstieg der Ammoniakkonzentration ist aber nicht etwa in der Weise gleichmässig, dass in der Mitte des Kontaktes die Hälfte des Ammoniaks gebildet ist, sondern so, dass in der Mitte bereits viel mehr als die Hälfte fertig gebildet ist. Die Bildung verläuft sogar im Anfang so schnell. dass schon nach kurzer Berührung mit einem verhältnismässig kleinen Teil des Kontaktes der grösste Teil des im ganzen entstehenden Ammoniaks gebildet ist.
Da die Ammoniakbildung eine exotherme Reaktion ist, verläuft auch die Wärmeentwicklung analog dem beschriebenen Verlauf der Ammoniakbildung. Es würde somit, wenn gar keine Wärme abgeführt würde, jeder Ammoniakkonzentration, resp. den Stellen des Kontaktes, wo das Ammoniak erzeugt wird, eine bestimmte Temperaturerhöhung über die Anfangstemperatur des Gases, resp. über den Anfang des Kontaktes entsprechen. Schickt man nun das Gas mit einer bestimmten Anfangstemperatur, die der Aktivität des Katalysators angepasst ist, über den Katalysator, so tritt in seinem ersten Teil sehr schnelle Ammoniakbildung ein, und die Temperatur steigt in entsprechendem Mass".
Infolge der dabei durch die Reaktion erzeugten höheren Temperatur würde aber das Ammoniakgleich- gewicht resp. die Möglichkeit der Ammoniakbildung sich nach der ungünstigsten Seite hin verschieben. Es würde somit beispielsweise, wenn die schon entstandene Ammoniakkonzentration dem Gleichgewicht
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eintreten, und somit würde eine Ausnutzung der letzten Teile des Katalysators gar nicht möglich sein.
Um dieses zu vermeiden, hat man versucht, die reagierenden Gase im hinteren Teil des Kontaktes in der Weise zu kühlen, dass man ihnen nach dem Gegenstromprinzip durch ein oder mehrere in die Kontaktmasse eingelegte Rohre kaltes Frischgas entgegenschickt. Dadurch ist zwar eine bessere, aber immerhin doch sehr unvollkommene Ausnutzung des Kontaktes möglich. Denn, wenn man durch entsprechend Dimensionierung der Rohre und durch die Bemessung der Temperatur des eintretenden Frisehgases das Ende des Kontaktes nur in dem Grade kühlt, dass es wirksam bleibt, so wird dieses Frisch-
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nicht mehr kühlend wirken kann. Die Folge würde eine Wärmeanhäufung und damit eine Schädigung des Kontaktes sein.
Gibt man dagegen dem ankommenden Frischgas eine tiefere Temperatur, lässt man es also in der Mitte des Kontaktes stärker kühlend wirken, so wird der hintere Teil des Kontaktes so stark abgekühlt, dass er keine nennenswerten Ammoniakmengen mehr bildet und somit unwirksam ist.
Zur Vermeidung dieser Nachteile wird nach der vorliegenden Erfindung das im Gegenstrom geführte Gas in den vorderen und mittleren Teilen des Katalysators, wo es eben höhere Temperatur angenommen hat und daher nicht mehr kühlend wirken kann, nochmals erneut abgekühlt. Dadurch kann dieses Gas wieder Wärme aus der Kontaktmasse aufnehmen, so dass die Wärmcstauung in der Mitte des Kontaktes vermieden wird. Die Kühlung wird nach der Erfindung in einfacher Weise dadurch
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masse passierenden Gases strömt, nochmals Rohre von kleinerem Querschnitt eingebaut sind, durch die das kalte Frischgas zuerst geht, u. zw. in der entgegengesetzten Richtung, in der das Frischgas die nachher zu passierenden weiteren Rohre durchströmt.
Die Strömungsrichtung ist also in den inneren
Rohren, die das Gas zuerst passiert, dieselbe wie in der Kontaktmasse, während die Rohre mit grösserem Querschnitt vom Gase in entgegengesetzter Strömungsrichtung durchflossen werden. Die Gase bewegen sich also im doppelten Gegenstrom.
Die Wärmeübertragung erfolgt also in folgender Weise :
Das ankommende Frischgas nimmt zunächst während des Passierens der inneren Rohre Wärme aus dem schon vorher erwähnten Frischgas auf, dann nach dem Eintritt in die grösseren Rohre und somit auch nach der Umkehr der Strömungsrichtung bewirkt das schwach vorgewärmte Frischgas im letzten Teile des Kontaktes eine mässige Kühlung der Kontaktmasse, wird ausserdem durch das in den inneren Rohren entgegenströmende Frischgas wieder etwas abgekühlt und kann also in der Mitte des Kontaktes noch eine genügende Kühlwirkung ausüben.
Nachdem es nun selbst nach seinem Austritt aus den weiteren Rohren durch das kühlere, ankommende, in die inneren Rohre eintretende Frischgas auf eine genügend tiefe, für das Anspringen der Reaktion günstige Temperatur abgekühlt worden ist, tritt es unter nochmaliger Umkehr seiner Strömungsrichtung in die Kontaktmasse ein und veranlasst infolge seiner richtigen Temperatur eine gleichmässige Ammoniakbildung über dem ganzen Kontakt, ohne die oben angegebenen Nachteile hervorzurufen.
Die richtige Einhaltung der Temperaturen in den verschiedenen Teilen des Kontaktofens ist dadurch möglich, dass man das Verhältnis der Wärmedurchlässigkeit und des Durchmessers der beiden ineinanderliegenden Rohre oder Rohrsystem in entsprechender Weise wählt, und ferner dadurch, dass man das Frischgas schon vor seinem Eintritt in den Ofen auf die für die Durchführung des Verfahrens und den betreffenden Ofen geeignete Temperatur bringt.
Nach der Erfindung'wird also die sich unter hohem Druck bei der katalytischen Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff bildende Wärme in der leichteste Weise abgeführt oder vielmehr verwertet, so dass es möglich ist, auch mit Ammoniakkonzentrationen, die dem Gleichgewicht bei niedrigen Temperaturen nahekommen und die über 10 Volumenprozent betragen, zu arbeiten. Bekanntlich ist bei niedrigen Temperaturen das Ammoniakgleichgewicht viel günstiger als bei hohen, so dass man bei Anwendung eines Kontaktes, der schon bei niedriger Temperatur wirksam ist, bei Drucken von unter 100 Atm. leicht zu Volumkonzentrationen von über 10 Volumprozent Ammoniak gelangen kann.
Hiebei entstehen durch die exotherme Reaktion allerdings Wärmemengen, die der Durchführung einer solchen Katalyse bis jetzt grosse Schwierigkeiten in den Weg stellten. Durch das beschriebene Verfahren der Erfindung und den zur Ausführung des Verfahrens erfundenen Ofen werden die Gase zwecks Aufnahme und Abgabe der Wärme in der beschriebenen Weise im doppelten Gegenstrom geleitet, so dass die früheren Schwierigkeiten überwunden sind.
Das neue Verfahren ist an einem nach der Erfindung ausgebildeten Ofen in der Zeichnung erläutert, die einen senkrechten Längsschnitt des Ofens darstellt.
Der Ofen besteht aus einem Metallzylinder A, der oben und unten durch zwei Deckel B und C gasdicht abgedeckt ist. Der eine Teil wird durch eine Metallplatte D, in welcher Rohre eingewalzt sind, abgeteilt. Um diese inneren Rohre I sind die das Gas zurüokleitenden äusseren Rohre H gelagert, um die die Kontaktmasse K festgestampft liegt. Durch den Stutzen F werden die Gase zugeführt, und durch den Stutzen G tritt das fertige Reaktionsgemisch aus. Die Kontaktmasse wird zweckmässig durch
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Der äussere Durchmesser der inneren Rohre ist z. B. 15 mm, während der innere Durchmesser der äusseren Rohre 20 mm ist.
Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass das durch F eintretende Gas in die inneren Rohre verteilt wird, in den äusseren zurückströmt, wobei die aus dem Kontaktraum abzuführende Wärme aufgenommen wird. Die dadurch erwärmten Gase treten aus den äusseren Rohren aus und durchströmen die Kontaktmasse wiederum in entgegengesetzter Richtung, sodann treten sie durch den Stutzen Gaus.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur synthetischen Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Überhitzung des Katalysators bei hoher Ammoniakkonzentration das zur Reaktion gelangende Gasgemisch im doppelten Gegenstrom durch eine Anzahl im Kontaktraum lagernder Doppelrohre in der Weise geleitet wird, dass die eintretenden kalten Gase zunächst in derselben Richtung durch die inneren Rohre strömen, in der sie durch den Katalysator geleitet werden, und alsdann infolge des unteren Abschlusses der äusseren Rohre im Gegenstrom zum eintretenden und zum reagierenden Teil des Gasstromes der Reaktion zugeführt werden.