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Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksyntheseanlagen
In Anlagen zur synthetischen Erzeugung beispielsweise von Ammoniak, gegebenenfalls auch von Methanol u. a. m., wird es je nach den Betriebsbedingungen (Gesamtdruck, Höhe des Inertengehaltes, zulässige Maximaltemperatur u. a. ) für die, beispielsweise im Ammoniaksyntheseofen ablaufende Reaktion eine sogenannte Idealtemperaturlinie geben, bei der, entsprechend der zur Verfügung stehenden Katalysatormenge, ein Optimum der Umsetzung erreicht werden kann. Auf verschiedene Weise wurde bisher versucht, die Reaktion möglichst entlang der Idealtemperaturlinie verlaufen zu lassen. Es sei hier nur auf die unterschiedlichen Versuche zur optimalen Verteilung bzw.
Abführung des Wärmeüberschusses der exothermen Reaktion verwiesen, bei denen Kontaktröhren- und Kühlröhrensysteme mit parallel oder in Serie angeordneten Vollraumschüttungen abwechseln, sowie auf besondere Kühleinrichtungen durch reaktionsfremde Kühlmittel, etwa in Form von Wasserrohrschlangen zwischen einzelnen Kontaktlagen oder als indirekte und direkte Kaltgaszuführungen zur oder nach der heissesten Reaktionszone u. a. m.
Diese Einrichtungen waren einerseits kompliziert und daher schwer beherrschbar und teuer, anderseits wurde der Gehalt des ausreagierten Gases an Syntheseendprodukt durch Frischgaszuführung oft stark verdünnt. Die Druckwasserkühlung durch Rohrschlangen sowie die Öfen mit Kaltgaszuführung zwischen die einzelnen Kontaktlagen bedingen wieder einen Hauptwärmeaustauscher mit sehr langen Rohren, um das Frischgas doch noch mit der nötigen Eingangstemperatur auf den Katalysator zu bringen.
Gemäss der vorliegend beschriebenen Erfindung wird bei einem Hochdruckreaktor, der innerhalb eines in einem Hochdruckkörper befindlichen Ofeneinsatzmantels oder Leitrohrs zwei oder mehrere in Serie geschaltete Kontaktbehälter und einen endständigen Hauptwärmetauscher enthält, das gesamte Frischgasgemisch in bestimmter Weise zur Gegenstromkühlung des durch die exotherme Reaktion aufgeheizten Synthesegases herangezogen, bevor es auf die erste Kontaktlage aufgegeben wird.
Die Kühlung des Synthesegases nach den einzelnen Reaktionsstufen erfolgt erfindungsgemäss in der Weise, dass das gesamte Frischgas, nachdem es zunächst in bekannter Weise zwischen dem Druckmantel und dem Mantel des Einsatzes nach unten gelangt ist und anschliessend in ebenso bekannter Art im Hauptwärmetauscher erwärmt wurde, im Gegenstrom zum Eingangsgasstrom die einzelnen Kontaktschüsse umspült und diese miteinander verbindende kurze Röhren, die auf solche Weise als Wärmetauscher zwischen den einzelnen Kontaktschüssen wirken, von aussen umströmt. Das derart auf die Reaktionstemperatur aufgewärmte Gas betritt sodann die erste Kontaktlage, passiert die kurzen, als Wärmetauscher wirkenden Verbindungsrohre zwischen je zwei Kontaktlagen usf., bis das optimal ausreagierte Synthesegas schliesslich durch den Hauptwärmetauscher hindurch den Reaktor verlässt.
Durch die angedeutete Unterteilung der Kontaktmasse in einzelne Lagen, wie sie an sich bekannt ist, weiters durch den jeweils fortschreitenden Wärmetausch zwischen diesen Kontaktlagen gemäss den Anweisungen der Erfindung, endlich durch die erfindungsgemässe Heranziehung ausschliesslich von Frischgas zur selektiven Gegenstromkühlung aller katalysierenden Einzelteile des Reaktors wird einerseits jede Verdünnung des zur Umsetzung gebrachten Synthesegases mit allen ihren Nachteilen vermieden und anderseits ein Temperaturkurvenverlauf erzielt, der bei höchster Wirtschaftlichkeit optimalen Aufbau des Syntheseproduktes sichert.
Vor allem aber wird durch die erfindungsgemässe Führung des gesamten Frischgases erreicht, dass das Frischgas nicht schon in dem bisher bekannten Hauptwärmetauscher auf die Anspringtemperatur des Katalysators aufgewärmt werden muss, sondern dass diese Aufwärmung in den nachfolgenden, bereits erwähnten Wärmetauschern zwischen den einzelnen Kontaktlagen erfolgt.
Das sich in diesen Wärmetauschern aufwärmende Frischgas kommt beim Umströmen der einzelnen Zwischenwärmetauscher jeweils mit immer heisserem, aus den entsprechenden Kontaktlagen austretenden, zur Umsetzung gebrachten Synthesegas-bei der obersten Kontaktlage mit dem heissesten-in Wärmetausch. Dadurch wird der Hauptwärmetauscher weitgehend entlastet, was bei gegebener Grösse des Hochdruckkörpers gleichzeitig durch Verkleinerung des Hauptwärmetauschers eine Vergrösserung des Katalysatorvolumens und damit eine Erhöhung der Ofenleistung erlaubt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Verfahrensdurchführung und Einrichtung liegt im einfachen und leicht zu wartenden Bau der Reaktoreinrichtung.
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Die Fig. 2 und 3 der Zeichnung lassen die Vorgänge am Beispiel der Ammoniakbildung aus Stickstoff und Wasserstoff in den einzelnen Kontaktschüssen und die dazugehörigen Temperaturen erkennen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist beispielsweise und schematisch ein Hochdruckreaktor zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Bildung von Ammoniak aus seinen Bestandteilen dargestellt.
1, 2 und 3 bedeuten Deckel und Mantel des Hochdruckkörpers, 4 ist der Frischgaseinlass durch eine Bohrung am Deckel 1, 5 der Ausgang für das zur Umsetzung gebrachte Synthesegas, 6 der Ofeneinsatzmantel oder das Leitrohr, das entweder durch eine Stopfbüchse 7 mit dem Druckkörperdeckel gasdicht abschliesst oder aber (nicht dargestellt) oben durch einen Deckel geschlossen ist. Dieses Leitrohr 6 weist in der Nähe des Bodens bzw. des unteren Endes des Hauptwärmetauschers Gasdurchlässe 12 zum Hauptwärmetauscher 8 auf. Mit 9 sind die einzelnen Schüsse einer Mehrzahl von Kontaktbehältern bezeichnet, die jeweils mittels zahlreicher kurzer Röhren 10, die gegenüber dem im Gegenstrom passierenden Frischgas als indirekte Wärmetauscher wirken, untereinander in Verbindung stehen.
Der kühlende Frischgasstrom um diese Wärmetauscherrohre 10 wird in an sich bekannter Weise durch Schikanenbleche 11 gelenkt. Bei 13 ist eine, gegebenenfalls in bekannter Weise ausgestaltete, elektrische Heizeinrichtung angedeutet.