<Desc/Clms Page number 1>
Einrichtung zur Durchführung exothermischer katalytischer
Hochdrucksynthesen von Gasen, wie z. B. der
Ammoniak- oder Methanolsynthese
Bei exothermen katalytischenGassynthesen, wie z. B. der Ammoniak- oder Methanolsynthese, strömt die Synthesemischung durch eine oder mehrere Katalysatorschichten, in welchen sie sich einerseits mit Reaktionsprodukt anreichert, anderseits durch die freigewordene Reaktionswärme erwärmt.
Bei einem bestimmten Druck, einer bestimmten Qualität des Katalysators und der Synthesemischung hängt die Reaktionsgeschwindigkeit - z. B. als Produktionszuwachs in kg MOI/m3 Katalysator je Stunde gerechnet-von der Temperatur und dem Gehalt an gebildetem Produkt in der Mischung ab.
Zu Beginn des Prozesses kann bei einem kleinen Produktgehalt in den Gasen eine grosse Reaktionsgeschwindigkeit bei höherer Temperatur erreicht werden, mit wachsendem Produktgehalt in den Gasen wird eine optimale Produktbildung bei niedrigeren Temperaturen erzielt.
Bei der Projektierung des technologischen Verfahrens und entsprechenden Reaktoren besteht daher das Bestreben, mit Hilfe von Wärmetauschern und allfälliger Entziehung eines Teiles der Reaktionswärme oder auch durch Zugabe von kalten Synthesegemischen an verschiedenen Stellen des Reaktors solche Temperaturbedingungen im Katalysatorbett zu schaffen, die die Erreichung der grösstmöglichen Reaktionsgeschwindigkeiten und somit optimalen Ausnutzung des Katalysators ermöglichen. Dadurch wird auch die höchste Ausnutzung des Reaktorraumes oder anders gesagt, die höchste Leistung des Reaktors gegebener Grösse gesichert.
In den bekannten Reaktoren dieser Art, deren Katalysatorschichten mit Hilfe von dem die Wärmeaustauschrohre durchströmenden Synthesegemisch gekühlt sind, werden die genannten optimalen Temperaturen nur annähernd und häufig nur bei höheren Raumgeschwindigkeiten der Synthesegase erreicht. Die erhöhten Raumgeschwindigkeiten erfordern aber einen erhöhten Energiebedarf für die Rezirkulation der Synthesegase durch den Reaktor und verursachen die Verschlechterung der möglichen Ausnutzung der Reaktionswärme.
Sollen die die Kühlgase leitenden Wärmeaustauschrohre eine genügende Kühlwirkung leisten, müssen sie von grosser Länge sein. Dies macht aber Schwierigkeiten bei der konstruktiven Lösung der Probleme der Wärmedilatation.
Ausserdem ist die Regelung von Röhren-Reaktoren angeführter Art etwas umständlich, und auch die erforderlichen Temperaturbedingungen lassen sich nur schwierig einstellen.
Die Konstruktion von Etagenreaktoren mit adiabatisch arbeitenden Katalysatorschichten, zwischen welchen Wärmetauscher angeordnet sind, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt und von heissen Gasen umspült werden, wobei ein Teil der Reaktionswärme zur Nutzbarmachung abgeführt wird, ist sehr kompliziert. Dabei ist infolge der Notwendigkeit, in den adiabatischen Etagen mit niedrigen Temperaturen zu beginnen, damit an deren Ende die Temperaturen nicht zu hoch ansteigen und der Katalysator durch Überhitzung nicht beschädigt wird, die Ausnutzung des Katalysators, namentlich am Anfang der ersten Etagen, von den optimalen Möglichkeiten weit. entfernt.
Ebenso sind die Verfahren und Konstruktionen, bei welchen die Kühlung mittels Einspritzung von
<Desc/Clms Page number 2>
kaltem Synthesegemisch an verschiedenen Stellen des in Etagen angeordneten Katalysatorbettes erfolgt, ungeeignet, vornehmlich deswegen, weil das Katalysatorbett vom Synthesegas nicht vollkommen durchströmt wird.
Diese Nachteile der bekannten Verfahren und Konstruktionen werden durch die Erfindung behoben.
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Durchführung exothermischer, katalytischer Hochdrucksynthesen von Gasen, wie z. B. der Ammoniak- oder Methanolsynthese, welche aus einem Reaktorgefäss besteht, in dem zwei Katalysatorschichten auf Rosten übereinander vorgesehen sind, die erste obere, adiabatisch arbeitende Schicht und die zweite untere, gekühlte Schicht, in der Mitte ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, der aus einem, in einem konzentrischen Mantelrohr befindlichen Röhrenbündel besteht, an dessen unterem Ende ein Verteilerkopf angeschlossen ist, aus dem einen Wärmetauscher bildende Rohre herausgeführt sind, die durch die zweite gekühlte Katalysatorschicht hindurchgehen und bzw.
in einer andern Alternative in die gekühlte untere Partie der ersten oberen Katalysatorschicht hineinragen, wobei der in die gekühlte Partie der ersten oberen Schicht hineinragende Teil dieser Rohre mit oben geschlossenen Rohren ummantelt ist.
Gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen hat die Einrichtung gemäss der Erfindung wesentliche Vorteile.
Die Verwendung einer Kombination der von Flüssigkeit und Synthesegas durchströmten Wärmetauscher zur Ableitung der Reaktionswärme des durchströmenden Synthesegemisches ermöglicht eine starke Annäherung an die optimalen Reaktionsbedingungen einer exothermischen katalytischenHochdruckreaktion zu erreichen.
Die Reaktionswärme wird dem durchströmenden Synthesegemisch bloss an einer Stelle bei dessen höchster Temperatur oder bei einer Temperatur entzogen, die höchstens um 500C niedriger ist als die höchste erreichte Temperatur der Synthesemischung.
Durch die Anordnung des Wärmetauscher-Bündels zwischen der adiabatischen und der gekühlten Schicht werden die Temperaturen des Katalysatorbettes auf einer solchen Höhe gehalten, dass die Reaktionsgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen des Reaktors von dem optimalen Wert höchstens um einen Betrag von zo abweicht.
Mit der Einrichtung gemäss der Erfindung wird die spezifische Leistung der Reaktoren erhöht, weiters können Einsparungen an Konstruktionsmaterial und eine Erhöhung der Arbeitsproduktivität sowie gleichzeitig eine Verlängerung der Lebensdauer des Katalysators erzielt werden.
Der Wärmetauscher zur Ableitung der Reaktionswärme mit einer Kühlflüssigkeit gemäss der Erfindung ist, zum Unterschied von andern bekannten Konstruktionen dieser Art in Form eines kompakten Röhrenbündels nur an einer einzigen Stelle des Reaktors angeordnet und demnach sehr einfach.
Beispiele der erfindungsgemässen Einrichtungen veranschaulichen die beiden Zeichnungen.
Fig. l zeigt die erste Alternative : Die Einrichtung besteht aus einem Reaktorgefäss 0, das mit einen Eintrittsrohr 1 und einem Verbindungsrohr 11 versehen ist und in dem auf Rosten 3 und 10 zwe Katalysatorschichten, die erste obere, adiabatisch arbeitende Schicht 2 und die zweite, untere, ge. kühlte Schicht 5 übereinander vorgesehen sind. In der zweiten Katalysatorschicht 5 ist zentral ei] Wärmetauscher Gas/Flüssigkeit 6 angeordnet, der aus einem, in einem konzentrischen Mantelrohr' befindlichen, durch Kühlflüssigkeit durchflossenen Röhrenbündel besteht. Am unteren Ende des Wärme tauschers 6 ist ein Verteilerkopf 7 angeschlossen, aus dem Rohre 8 vertikal nach oben herausge führt sind, die durch die zweite Katalysatorschicht 5 hindurchgehen und einen Wärmetauscher Gas Gas bilden.
Mittels des Verbindungsrohres 11 ist die erste 2 und zweite 5 Katalysatorschicht ent haltende Reaktorabteilung mit der unteren Abteilung verbunden, die eventuell noch eine weitere, gekühl te Katalysatorschicht 12 enthalten kann.
Fig. 2 zeigt die zweite Alternative : Die aus dem Verteilerkopf 7 herausgeführten und durch di zweite untere gekühlte Katalysatorschicht 5 hindurchgehenden Rohre 8 ragen bis in die gekühlt untere Partie II der ersten oberen Katalysatorschicht 2, wobei der in Partie II hineinragende Te dieser Rohre 8 mit oben geschlossenen Rohren 13 ummantelt ist.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet im Fall der ersten Alternative folgendermassen :
EMI2.1
durch und teilweise umgesetzt und erwärmt, strömt es durch den Rost 3 in den Wärmetauscher Gas Flüssigkeit 6, wo es den nutzbaren Teil der Reaktionswärme abgibt.
<Desc/Clms Page number 3>
Durch den Wärmetauscher gelangt es in den Verteilerkopf 7, wovon es wieder durch die Rohre 8, in den Raum oberhalb der zweiten Katalysatorschicht 5 emporströmt. Beim Durchgang durch die Rohre 8 wird es durch das die Rohre 8 umspülende reagierende Synthese-Gemisch erwärmt, wobei es gleichzeitig die zweite Katalysatorschicht kühlt. Aus dem Eintrittsraum 9 oberhalb der zweitenKa- talysatorschicht 5 strömt das auf geförderte Temperatur wieder erwärmte Synthesegemisch durch die zweite Katalysatorschicht nach unten und tritt durch das Verbindungsrohr 11 entweder auf eine weitere gekühlte Katalysatorschicht 12 zur Beendigung der Reaktion oder direkt in den End-Wärmetauscher ein.
In diesem Fall entfällt die gekühlte Katalysatorschicht 12.
Der zweiten Alternative entsprechend arbeitet die beschriebene Einrichtung so, dass das den Verteilerkopf 7 verlassende, gekühlte Synthesegemisch durch die Rohre 8 bis in die untere Partie II der ersten Katalysatorschicht 2, aus welcher es einen Teil der Reaktionswärme entzieht, emporströmt und erst davon durch den kreisringförmigen Röhrenzwischenraum in Gleichstrom mit dem in der ersten, in diesem Fall zum Teil gekühlten. Katalysatorschicht 2 reagierenden Synthesegemisch zurückkehrt und aus den offenen unteren Enden der Ummantelungsrohre zur zweiten unteren Katalysatorschicht 5 übertritt.
Dadurch wird nicht nur die untere Partie II der ersten Katalysatorschicht 2 gekühlt, sondern vornehmlich auch erreicht, dass an der Eintrittsstelle des Synthesegemisches in die zweite Katalysatorschicht die Temperatur des Synthesegemisches in den Rohren niedriger ist als die Temperatur des Synthesege- misches, das in die zweite Katalysatorschicht eintritt. Dadurch wird das unerwünschte Ansteigen der Temperatur am Beginn der zweiten Katalysatorschicht 5 verhindert.
Der weitere Vorgang ist der gleiche, wie er in der ersten Alternative beschrieben wurde.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Durchführung exothermischer katalytischer Hochdrucksynthesen von Gasen, wie z. B. der Ammoniak- oder Methanolsynthese, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus dem Reaktorgefäss (0) besteht, in dem zwei Katalysatorschichten auf Rosten (3 bzw. 10) übereinander vorgesehen sind, die erste obere adiabatisch arbeitende Schicht (2) und die zweite untere gekühlte Schicht (5), in der Mitte ein Wärmetauscher (6) angeordnet ist, der aus einem in einem konzentrischen Mantelrohr (4) befindlichen Röhrenbündel besteht, an dessen unterem Ende ein Verteilerkopf (7) angeschlossen ist, aus dem einen Wärmetauscher bildende Rohre (8) herausgeführt sind, die durch die zweite gekühlte Katalysatorschicht (5) hindurchgehen.
EMI3.1
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.