AT247371B - Verfahren und Vorrichtung zur Intensivierung des Ammoniakaufbaues bei der katalytischen Ammoniaksynthese - Google Patents

Description

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   Verfahren und Vorrichtung zur Intensivierung des Ammoniakaufbaues bei der katalytischen Ammoniaksynthese 
Durch das Patent   Nr. 239264   sind ein Verfahren und eine Vorrichtung geschützt, nach welchen in einem Hochdruckreaktor der Ammoniaksynthese dadurch eine höhere Raum-Zeit-Ausbeute und eine bes- sere Katalysatorausnutzung bei gegebenem Reaktorvolumen und gegebenem Umsatz erzielt werden, dass die Ammoniakbildung bei maximal hohen Umsetzungstemperaturen, gleichzeitiger Beschleunigung des
Gasdurchganges durch die heisseste Zone des Katalysators und intensiver Kühlung des Reaktionsgases un- mittelbar nach der Zone höchster Temperatur forciert wird.

   Dies wird dadurch erreicht, dass unter gleich- zeitiger Verkürzung des Hauptwärmeaustauschers des Reaktors ein Teil des Wärmeaustausches zwischen dem heissen Reaktionsgas und dem im Hauptwärmetauscher teilweise vorgewärmten Frischgas in die Zone höchster Temperaturentwicklung des Kontaktteiles verlegt und dort an katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohren zwischen einer verhältnismässig niedrigen Eingangskatalysatorschüttung und einer grösseren Vollraumschüttung zum langsamen Ausreagieren durchgeführt wird. Der zur besseren Katalysatorausnutzung und Ausbeuteerhöhung führende Grundgedanke nacn dem Stammpatent ist also die Intensivierung des Ammoniakaufbaues aus seinen Komponenten durch Einhaltung hoher Umsetzungstemperaturen und die gleichzeitige energische Abkühlung des Reaktionsgases zur Verhinderung der Reaktionsumkehr.

   Damit gelingt eine weitgehende Annäherung des Reaktionsverlaufs an die durch den Reaktordruck fixierte Linie des idealen Temperaturverlaufs, wobei die Katalysatorfüllung der zwischengeschalteten   Wärmetauscher-   rohre ein abruptes Absinken der Gastemperatur verhindert und damit die Reaktionsverlaufskurve in ihren optimalen Teilen zum Vorteil des gesamten Ammoniakaufbaues stetig wird. 



   Es hat sich nun gezeigt, dass eine optimale Temperaturführung mit weitergehender Annäherung an die Linie des idealen Temperaturverlaufs durch eine besondere Ausgestaltung der Kühlung der katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre zwischen den beiden Katalysator-Vollraumschüttungen erreicht werden kann. 



   Erfindungsgemäss wird zu diesem Zwecke der Wärmetausch an den katalysatorgefüllten   Wärmt : tau-   scherrohren zwischen den beiden Katalysator-Vollraumschüttungen funktionell zweigeteilt, so zwar, dass etwa die eine Hälfte der Wärmetauscherrohre im Gegenstrom und etwa die andere Hälfte im Gleichstrom vom vorgewärmten Frischgas beaufschlagt wird. Das Frischgas, das aus dem Reaktor-Hauptwärmetauscher an die Zuströmstellen der katalysatorgefüllten Rohre geführt wird, bewirkt, je nach seiner örtlichen Strömungsrichtung und je nach dem jeweiligen örtlichen Niveauunterschied zur Reaktionsgastemperatur entweder eine mehr oder minder starke Abkühlung oder sogar eine Aufwärmung des letzteren. 



   Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Grundgedankens der Zweiteilung des   Kühlgas- bzw.   



  Frischgasstromes mit voneinander verschiedener Strömungsrichtung entlang der katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre wird ungefähr die obere Hälfte dieser Rohre im Gleichstrom und die untere Hälfte im Gegenstrom zum Reaktionsgas vom. Frischgas umspült. Die Zuströmstellen für das Frischgas sind demnach die oberste bzw. die unterste Verengung der Wärmetauscherrohre, wie sie zum Einbau in die Rohrböden 

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 dient. Der Gleichstromteil bewirkt sodann eine intensive Kühlung   der Übertrittsstellen   des heissen Reak- tionsgases aus der Eingangskatalysatorschüttung in die Katalysatorrohre und der Gegenstromteil eine Wie- deraufwärmung oderWarmhaltung des Reaktionsgases vor dem Verlassen der Katalysatorrohre auf die oder auf der für die Endreaktion in der nachfolgenden zweiten Vollraumschüttung nötigen Temperatur.

   Diese beiden Frischgas-Teilströme treffen sich bei dieser Ausführungsform etwa an der Mitte der Katalysator- rohre und strömen, dort miteinander vereinigt, durch besondere Leitungen mit einer, gegenüber der Norm erhöhten Temperatur von etwa 460 bis 500 C auf die Eingangskatalysatorlage, in welcher sie, spätestens beim Übertritt in die katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre, Temperaturen bis rund   5700C   erreichen. 



   Die durch den   bisher beschriebenen Vorgang erzielbare Wirkung   kann nun noch dadurch gesichert oder erhöht werden, dass man den zur Gleichstrom- und den zur Gegenstromkühlung der Katalysatorrohre die- nenden Frischgasanteil jeweils verschiedenen Temperaturzonen des Hauptwärmeaustauschers entnimmt. 



   Um nun die Frischgasvorwärmung im Hauptwärmetauscher und damit die   Kühl-bzw. Aufheizwirkung   an den Katalysatorrohren auch wirkungsvoll regeln zu können, wird der Hauptwärmetauscher je nach den thermischen Gegebenheiten etwa mittig horizontal unterteilt und jeder dieser beiden Teile durch einen getrennt zugeführten Frischgasstrom beschickt, der vor seinem Eintritt in den Hauptwärmetauscher in üblicher Weise vorher den Ringraum zwischen Hochdruckkörper und Einsatzmantel (Leitrohr) unter gleichzeitiger Kühlung dieser beiden Teile passiert hatte. 



   Nach der oben angedeuteten   bevorzugten Ausführungsform   der   erfindungsgemässen Gasführung   passiert ein zweckmässig vom unteren Ofendeckel her eingeführter Frischgasanteil den unteren, kühleren Teil des Hauptwärmetauschers und strömt durch ein zentrales   (Brenner-)   Rohr direkt oder am oberen Ende durch eine Rohrkappe umgelenkt an die heisseste Stelle des oberen Teiles der Katalysatorröhren. Der restliche, zweckmässig vom oberen Ofendeckel her eingeführte Teil des Frischgases kühlt den oberen, heisseren Teil der Hauptwärmetauscherröhren und strömt mit der dort empfangenen höheren Temperatur durch ein weiteres, mit dem Brennerrohr koaxiales Rohr an die kühlste Stelle der unteren Hälfte der Katalysatorrohre. 



  Beide Teilströme, u. zw. der kühlere nach Gleichstromkühlung und der heissere nach Gegenstromwärmeaustausch mit den zugeordneten Teilen der Katalysatorrohre, vereinigen sich sodann, wie oben beschrieben, um gemischt auf die Eingangskatalysatorschüttung zu gehen. 



   Der zur raschen und kräftigen Kühlung des obersten Katalysatorrohrteiles verwendete Frischgasanteil hat nach dem Verlassen dieses Teiles und nach dem Vermischen mit dem restlichen Frischgasanteil die im Stammpatent geforderte hohe Anfangstemperatur von rund 460 bis 5000C für das sichere und rasche Anspringen der Reaktion in der Eingangskatalysatorschüttung, in welcher die Temperatur, durch kurze Zeit ohne Kühlung, die optimale Reaktionstemperatur des Ammoniakaufbaues von rund 560 bis 570 C und darüber erreicht. 



   Durch die Zweiteilung des Frischgasstromes, vor allem aber durch die regelbare Unterteilung der Frischgaszufuhr schon zum Hauptwärmetauscher, ist eine jederzeitige Anpassung der Ofenfahrweise an die Idealtemperaturlinie möglich, wobei gleichzeitig durch diese Unterteilung der Gesamtwiderstand im Reaktor verringert wird. Auf die beschriebene Weise lässt sich höchste Belastung des Katalysators mit optimalem Umsatz erzielen. 



   Eine Reaktoreinrichtung, die nach den Grundzügen des im Patent Nr. 239264 geschützten Verfahrensablaufs, verbessert durch die oben beschriebenen Anweisungen, arbeitet, ist in der Zeichnung schematisch und beispielsweise dargestellt. Hiebei bedeutet 1 den Hochdruckkörper des Reaktors oder "Ofens", 2 den Frischgaseintritt am oberen Ofendeckel, 3 dasselbe am unteren Ofendeckel, 4 die Abführung des ausreagierten Gases, 5 den Einsatzmantel (Leitrohr), 6 den unteren Teil des durch die Platte 16 gasdicht unterteilten Hauptwärmetauschers, 7 das Zentralrohr vom erwähnten unteren Wärmetauscherabschnitt zum oberen Teil 8 der katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre im Kontaktteil des Reaktors, 9 der obere, heissere Teil des Hauptwärmetauschers mit dem koaxial um 7 angeordneten Gaszuführungsrohr 10 zum unteren Teil 11 der Katalysatorrohre.

   12 ist die Zuführung der wieder vereinigten Frischgasteilströme zur obersten oder Eingangskatalysatorschüttung 13 und 14 die untere oder Endkatalysatorschüttung. Mit 15 ist ein Umlenkblech am Fusse des Hauptwärmetauschers 6,9 bezeichnet, das die Kühlung des Hochdruckkörpers 1 auch in seinem unteren Teil durch den bei 3 eintretenden Frischgasteilstrom bewirkt. 



   Wie die Zeichnung nebenbei erkennen lässt, sind bei der dargestellten Ofenkonstruktion auch an sich bekannte Merkmale mitverwendet, wie   z. B. Einschnürungen   an den Enden und etwa in der Mitte der Katalysatorrohre 8,11, die dem besseren gasdichten Einbau und der leichteren Sammlung und Abführung der zuvor getrennt gewesenen Frischgasteilströme dienen. 
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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Intensivierung des Ammoniakaufbaues bei der katalytischen Ammoniaksynthese in Hochdrucketagenöfen mit innerem Wärmeaustausch nach dem Patent Nr. 239264, dadurch ge kenn- zeichnet, dass der Wärmeaustausch an den katalysatorgefüllten Rohren (8,11) gegen Frischgas in eine Gegenstrom- (11) und eine Gleichstromzone (8) unterteilt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere, heissere Teil der katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre (8) im Gleichstrom mit dem Reaktionsgas im Inneren derselben und der untere, kühlere Teil (11) im Gegenstrom von Frischgas bestrichen wird.

   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischgas- teilströme nach dem Wärmeaustausch an den katalysatorgefüllten Rohren miteinander vereinigt auf die Eingangskatalysatorlage (13) des Reaktors strömen.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischgas- teilströme für den Wärmeaustausch an den katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohren (8,11) verschieden temperierten Zonen (6,9) des Reaktor-Hauptwärmetauschers entnommen werden.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Wärmeaustausch mit dem unteren, kühleren Teil (11) der katalysatorgefüllten Rohre bestimmte Frischgasanteil dem obe- ren, heisseren Teil (9) und der zur Kühlung des oberen heisseren Teiles (8) aer katalysatorgefüllten Rohre bestimmte Teil des Frischgases dem unteren, kühleren Teil (6) des Reaktor-Hauptwärmetauschers ent- nommen wird.

   6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischgas dem Hauptwärmetauscher des Reaktors in zwei getrennten Strömen (2,3) zugeführt wird.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Beaufschlagung des unteren Teiles (6) des Hauptwärmetauschers bestimmte Frischgasanteil vom unteren Ofendeckel (bei 3) und der zur Beaufschlagung des oberen Teiles (9) des Hauptwärmetauschers bestimmte Teil vom oberen Ofendeckel (bei 2) aus zugeführt wird, wobei beide Teilströme in an sich bekannter Weise zuvor zur Kühlung des Hochdruckmantels (1) durch einen Ringraum zwischen diesem und dem Einsatzmantel geführt werden.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, bestehend aus einer oben offenen Eingangskatalysatorschüttung (13) und einer, vorzugsweise gegenüber der ersteren vergrösserten Endkatalysatorschüttung (14) sowie zwischen diesen beiden Katalysatorlagen angeordneten, mit Katalysator gefüllten Wärmetauscherrohren (8,11), dadurch gekennzeichnet, dass der im Gaswege endständige Hauptwärmetauscher des Reaktors in zwei horizontal und gasdicht voneinander getrennte Abschnitte (6,9) mit jeweils getrennter Frischgaszufuhr (2,3) unterteilt ist, die jeweils durch gesonderte Verbindungsrohre (7,10) mit den zugehörigen Zuströmstellen an der obersten bzw. an der untersten Verengung der katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre (8,11) in Verbindung stehen.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre (8, 11) in an sich bekannter Weise etwa in ihrer Mitte verengt sind und dass an dieser Stelle Zuführungsrohre (12) für das wieder gemischte Frischgas auf die Eingangskatalysatorschüttung vorgesehen sind.

   10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, gekennzeichnet durch einen Hochdruckmantel (1) mit Frischgaseintritt (2) am oberen Ofendeckel und (3) am unteren Ofendeckel, einer Gasabführung (4) am Boden des Hochdruckreaktors, einem Einsatzmantel (5), einen durch eine horizontale Platte (16) unterteilten Reaktor-Hauptwärmetauscher (6,9), ein Zentralrohr (7) vom unteren Abschnitt (6) des Hauptwärmetauschers zum oberen Teil (8) der katalysatorgefüllten Wärmetauscherrohre zwischen den beiden Katalysator-Vollraumschüttungen (13, 14), ein um das Zentralrohr (7) koaxial angeordnetes Rohr (10) als Verbindung vom oberen Hauptwärmetauscherabschnitt (9) zum unteren Teil (11) der Katalysatorrohre und eine Zuführungsleitung (12) für die etwa in der Mitte der Katalysatorrohre (8,11)

   wieder vereinigten Frischgasteilströme auf die oben offene Eingangskatalysatorschüttung (13).

   11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine Umlenkung (15) für den vom Boden des Reaktors ankommenden Frischgasteilstrom (3) zum Zwecke der besseren Kühlung des untersten Teiles des Hochdruckmantels (1) des Reaktors.