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Verfahren zur Erhöhung der Abhitze-Dampfausbeute bei katalytischen Gas-Hochdrucksynthesen
Durch das Stammpatent Nr. 216021 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Abhitze-Dampfausbeute aus dem indirekten Kühlmittelumlauf bei exothermen katalytischen Gas-Hochdrucksynthesen, insbesondere von Ammoniak oder Methanol, geschützt, das im wesentlichen darin besteht, dass eine Erhöhung der Tem- peratur des, den Syntheseofen verlassenden und in den Abwärmedampfkessel eintretenden, ausreagierten
Gasgemisches und damit ein besserer Wärmeaustausch im Abwärmedampfkessel durch Erhöhung der Tem- peratur des in den Wärmeaustauscher des Syntheseofens eintretenden Frischgases mittels vorherigen Wär- meaustauschs desselben gegen das, den Abwärmedampfkessel verlassende, ausreagierte Synthesegasgemisch bzw.
gegen die Abwärme anderer Prozesse, beispielsweise der Kohlenoxydkonvertieruiig, der Gaskompression u. a. m., bewirkt wird.
Neben der Wirkung einer Entlastung der den Gasweg abschliessenden Kühlanlage für das jeweilige Re- aktionsprodukt wird hiedurch vor allem erreicht, dass das Temperaturniveau des in den Hauptwärmeaustauscher des Syntheseofens eintretenden Gasgemisches gehoben wird, wodurch. sich zwangsweise eine höhere Temperaturdifferenz des Ofenausgangsgases gegenüber dem Kesselspeisewasser des Dampferzeugers ergibt, was wieder zu einer verbesserten Dampfausbeute, etwa in Form einer grösseren Dampfmenge, vorzugsweise aber einer höheren Dampfspannung, führt.
Die Durchführung dieses Verfahrens ist nun nicht an die Einschaltung eines zusätzlichen Wärmeaustauschers für Reaktionsgas gegen Frischgas zwischen dem Abwärmedampferzeuger und der Kühlanlage für das gas-oder dampfförmig anfallende Syntheseprodukt gebunden, sondern es kann gemäss der beschriebenen Erfindung ein solcher Wärmeaustausch auch innerhalb des Syntheseofens erfolgen, zu welchem Zweck der üblicherweise im unteren Teil des Reaktors angeordnete Röhrenwärmeaustauscher für die Abkühlung des Reaktionsgases durch kaltes Frischgas bzw. für die Aufwärmung des letzteren auf die Anspringtemperatur der Reaktion eine entsprechende Abänderung bzw. Unterteilung in von zwei verschieden temperierten Heissgasströmen beaufschlagte, voneinander unabhängige funktionelle Teile erfährt.
Das ausreagierte Synthesegas (Reaktionsgas) wird hiebei an einer empirisch oder durch Rechnung ermittelten geeigneten Stelle aus dem Hauptwärmeaustauscher (B) Des Ofens entnommen, aus dem Ofen in einen Dampferzeuger geführt und mit seinem nach Wärmeabgabe an das Kesselspeisewasser verbleibenden restlichen Wärmeanteil wieder in den Wärmeaustauscher eingeführt, diesmal aber in jenen Teil desselben, wo das vorerwähnte, abgekühlte Reaktionsgas nunmehr mit dem aus dem Kompressor ankommenden kalten Frischgas in Wärmetausch tritt (A).
Das im letzterwähnten Wärmetauscherteil A mit der Restwärme nach dem Dampferzeuger beladens Frischgas tritt nun im andern, dem eigentlichen Hauptwärmeaustauscher (B) in ebenfalls indirekten Wärmeaustausch mit dem gesamten heissen Reaktionsgas aus dem Katalysator und wird dort, unter gleichzeitiger Abkühlung des Reaktionsgases, auf die Anspringtemperatur der Reaktion aufgewärmt. mit welcher Temperatur das Frischgas in die oberste Katalysatorlage eintritt.
Der Zweck der erfindungsgemässen Verfahrensweise ist somit der, sowohl die übliche Abgabe der Reaktionswärme an kaltes Frischgas als auch die Erhöhung der Temperaturdifferenz des Reaktionsgases * 1. Zusatzpatent Nr. 221110.
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gegenüber dem Kesselspeisewasser mit der Wirkung einer erhöhten Dampfausbeute in einem einzigen, zweigeteilten Wärmeaustausch innerhalb des Hochdruckkörpers des Syntheseofens zu ermöglichen.
Die erfindungsgemässe Ausgestaltung des Verfahrens nach dem Stammpatent ist somit im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas nach dem Eintritt in den Syntheseofen zuerst zur üblichen
Kühlung des Ofenmantels benutzt wird und sodann vor seinem Eintritt in den Katalysator in indirekten Wär- meaustausch (A) mit dem vom Dampferzeuger zurückgeführten Reaktionsgas und anschliessend in indirek- ten Wärmeaustausch (B) mit dem, den Katalysator verlassenden, heissen Reaktionsgas tritt, wobei beide
Austauschstufen (A und B) innerhalb des Wärmetauscherteiles des Hochdrucksyntheseofens vor sich gehen.
Die Bauart und Funktionsweise des Katalysatorteils des Ofens ist auf die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ohne Einfluss. Es ist lediglich zur Einstellung der gewünschten Dampfrate (kgD/kgNH3) erforderlich, durch übliche Errechnung oder auf Grund von Betriebserfahrungen die Abmessungen des Kontaktraumes und des gesamten Wärmeaustauschers bzw. deren Grössenverhältnis zueinander auf Grund der Bedingungen des jeweiligen Betriebes festzulegen.
Die oben erläuterte Ausführungsform des Verfahrens gemäss dem Stammpatent Nr. 216021 wird mit Vorzug in dem nachstehend beschriebenen, erfindungsgemäss ausgestalteten Wärmeaustauscher durchgeführt.
Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung zeigen beispielsweise und schematisch, dass der Erfindungsgedanke sowohl unter Hindurchführung der Reaktionsgase durch Wärmeaustauscherröhren als auch unter Umleitung des Gases um diese Röhren ausgeführt werden kann.
Nach Fig. 1 der Zeichnung tritt das kalte, frische Synthesegasgemisch in den Reaktor in üblicher Weise am oberen Ofendeckel ein, strömt durch den Ringspalt 1 unter Kühlung des Hochdruckkörpers, betritt bei 2 den freien Raum um die Kühlrohre 3 des für den Wärmetausch des Reaktionsgases nach dem Dampferzeuger gegen das frische Synthesegas vorgesehenen unteren Wärmetauscherteils A, wo es einen Grossteil der im Dampferzeuger nicht mehr verwertbaren Restwärme aufnimmt. Sodann passiert das in A vorgewärmte Frischgas einen Durchgang 4 und geht von dort in den freien Raum um die Kühlrohre des Wärmeaustauscherteils B, wo es in indirekten Wärmeaustausch gegen das hocherhitzte Reaktionsgas aus dem Katalysator 5 tritt, um von dort durch das an seinem unteren Ende geschlossene Zentralrohr 6 auf die oberste Katalysatorlage zu gehen.
Das unterhalb des Wärmetauscherteils B gesammelte heisse Reaktionsgas geht sodann durch das Zentralrohr 7 zum Dampferzeuger, in welchem es den grössten Teil seines Wärmeinhalts bis zur Verwertbarkeitsgrenze an das Kesselspeisewasser abgibt und strömt in diesem durch die Rückführung 8 in ein mit dem Zentralrohr 7 koaxiales Rohr 9 in den unteren Wärmetauscherteil A unterhalb der, die beiden Wärmetauscherteile A und B gasdicht trennenden Platte 10, passiert die Kühlröhren 3, an denen der indirekte Wärmeaustausch gegen das ankommende Frischgas stattfindet und verlässt den Ofen zuletzt auf dem Wege über den Sammelraum 11 für das abgekühlte ausreagierte Gas.
Mit 12 ist eine Kurzschlussleitung zwischen der Heissgasabführung aus B zum Dampferzeuger und der Gasrückführung von diesem nach A bezeichnet, die durch ein Regelventil einstell-oder abstellbar ist und dazu dient, eine Überhitzung oder Abkühlung des Katalysators zu vermeiden bzw. die Temperatur des dem Katalysator zuströmenden Gases auf einfachste Weise optimal einzuregeln. 17 ist die Eintrittsstelle des aus dem Dampferzeuger ankommenden Gases in den unteren Wärmeaustauscherteil A. In gleicher Weise wirkt die Einrichtung gemäss Fig. 2 der Zeichnung, jedoch mit dem Unterschiede, dass hier die Gaswege in und um die Kühlrohren gegentiber der Darstellung in Fig. 1 vertauscht sind, ohne dass hiedurch der Erfindungsgedanke geändert ist.
Nach Fig. 2 betritt das durch den Ringspalt 1 ankommende kalte, frische Synthesegasgemisch den unteren Teil A des im Reaktor angeordneten Wärmeaustauschers A-B bei 2, passiert aber sodann die durch beide Teile A und B hindurchgehenden Kühlröhren 3 und tritt in diesen zuerst in indirekten Wärmetausch mit dem im (nicht dargestellten) Dampferzeuger unvollständig abgekühlten Reaktionsgas und anschliessend mit dem aus dem Katalysator 5 ankommenden heissen Reaktionsgas im Teil B des Wärmetauschers. Das im Teil A nur mässig vorgewärmte, im Teil B aber annähernd auf die Reaktionstemperatur erhitzte Gas geht weiters über den Gassammler 13 und ein Zentralrohr 14 auf die oberste Etage des Katalysators 5.
Das ausreagierte heisse Gas umspült dann die Kühlerrohre 3 im Wärmetauscherteil B, geht über das Zentralrohr 7 in den Dampferzeuger, von dort über die Rückleitung 8 und ein, koaxial um das Rohr 7 angeordnetes Rohr 9 in den freien Raum des Wärmetauscherteils A, um endlich über die Gasauslässe 15 zum Ofenausgang bzw. zur Tiefkühlanlage für die Kondensation des Reaktionsproduktes zu strömen. Mit 16 ist die Stelle des Eintritts des ausreagierten heissen Gases in den oberen Wärmetauscherteil B bezeichnet, 17 ist die Eintrittsstelle des aus dem Dampferzeuger ankommenden Gases in den unteren Wärmetauscherteil A und 10 eine, die beiden funktionell verschiedenen Wärmetauscherteile A und B gasdicht voneinander tren- nende ; gegebenenfalls gegen Wärmedurchgang isolierte Platte.
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Durch die erfindungsgemässe Arbeitsweise und Vorrichtung ist neben der besseren Ausnutzung des Wär- meinhalts der Reaktionsgase auch einem andern Mangel abgeholfen, der verschiedenen älteren Vorschlä- gen anhaftet. Wenn nämlich nach letzteren zum Zwecke der Wärmeausnutzung heisses Synthesegas un- mittelbar nach Verlassen der Katalysatorzone oder vor Eintritt in diese bzw. aus der Katalysatorzone selbst entnommen wurde, so ergaben sich hiebei wegen der hohen Gastemperaturen zwischen etwa 450 und550 C häufig erhebliche apparative Schwierigkeiten, die zu erhöhten Kosten für den Bau und die Instandhaltung führten. Auch diese Schwierigkeit ist nun hier dadurch beseitigt, dass das Gas aus dem heissen Wärmetau- scherteil B nur durch das zuvor beschriebene Zentralrohr 7, also durch das Koaxialrohr 9 gegen den wär- meempfindlichen Hochdruckkörper bzw.
Ofenboden isoliert, entnommen wird und letzterer daher an kei- ner Stelle mit heissem Gas in Berührung kommt. Als weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Ausgestal- tung des Wärmeaustauschers gemäss Fig. 1 und 2 ist hier zu erwähnen, dass das Gas an der Entnahmestelle zwischen den Teilen A und B nur mehr eine Temperatur von etwa 300-3500C hat. Im übrigen ist die be- schriebene konstruktive Ausgestaltung des Wärmetauscherteils des Syntheseofens billiger als die Anschaf- fung eines eigenen, vom Syntheseofen getrennten Hochdruckwärmeaustauschers.
Im Vorstehenden ist als Synthesegas das frische, kalte oder aufgewärmte Gasgemisch vor dem Kata- lysator und als Reaktionsgas das im Katalysator ausreagierte heisse oder wieder abgekühlte Gas bezeichnet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhöhung der Abhitze-Dampfausbeute aus dem indirekten Kühlmittelumlauf bei exothermen katalytischen Gas-Hochdrucksynthesen, insbesondere von Ammoniak oder Methanol, durch Übertragung des Wärmeinhalts des ausreagierten Synthesegases nach dem Verlassen eines dem Syntheseofen nachgeschalteten Dampferzeugers auf Frischgas mittels indirekten Wärmeaustauschs nach Patent
Nr. 216021, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas nach der üblichen Kühlung des Ofenmantels in indirekten Wärmeaustausch mit dem vom Dampferzeuger zurückgeführten Reaktionsgas (A) und anschliessend in indirekten Wärmeaustausch mit dem, den Katalysator verlassenden, heissen Reaktionsgas (B) tritt, wobei beide Austauscherstufen (A und B) innerhalb des Wärmetauscherteils des Hochdruckreaktors vor sich gehen.