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Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksyntheseanlagen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Gegenstand des Patentes Nr. 225722 ist ein Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksyntheseanlagen, beispielsweise für die Ammoniaksynthese, mit zwei oder mehreren, voneinander getrennten, hintereinander angeordneten und durch kurze Zwischenbodenwärmetauscherröhren gasführend miteinander verbundenen Kontaktschüssen nach Patent Nr.
216533 und eine seiner Durchführung dienende Vorrichtung, wobei in einem wie üblich aus einem Druckkörper, einem Einsatzmantel (Leitrohr) und einem Hauptwärmetauscher bestehenden Reaktor das kalte Frischgas nach Kühlung des Druckkörpers und des Leitrohres durch den Hauptwärmetauscher, sodann durch eine zentrale, durchgehende gemeinsame Öffnung auf die oberste von zwei oder mehreren Vollraumschüttungen des Katalysators und in weiterer Folge durch die einzelnen Katalysatorschüttungen und abwechselnd mit diesen durch, diese letzteren gasführend miteinander verbindende, Zwischenbodenwärmetauscher strömt, deren Kühlröhren im Querstrom von dem aus dem Hauptwärmetauscher ankommenden Frischgas umspült werden.
Die Entwicklung der katalytischen Hochdrucksyntheseeinrichtungen, insbesondere für die Ammoniakfabrikation aus Stickstoff und Wasserstoff, geht derzeit in Richtung auf die Vergrösserung der Apparaturen. Dieser Vergrösserung sind aber Grenzen gesetzt, soweit es sich um die bisher üblichen aufrecht stehenden Hochdrucköfen handelt. Die Erfindung betrifft nun eine Verbesserung bzw. Abänderung der im Patent Nr. 225722 beschriebenen Arbeitsweise und Einrichtung, die deren Anwendung auch im liegenden Zustande des Reaktors erlaubt.
Die bisher in Anwendung stehenden Reaktoren können nur stehend betrieben werden, weil beispielsweise die heute vielfach angewendeten Vollraumschüttungen des Katalysators durch Zusammensinken desselben beim Umlegen Hohlräume für den unerwünschten Gasdurchgang neben dem Katalysator bilden würden. Soferne ein solcher Ofen mit den sonstigen Merkmalen der beiden vorerwähnten Patente beispielsweise wegen der aus wirtschaftlichen Gründen gebotenen Übergrösse liegend betrieben werden soll, erfordert die Gasführung bzw. die Katalysatoranordnung eine Abänderung, die den Durchgang des Reaktionsgases neben dem Katalysator unmöglich macht.
Erfindungsgemäss wird das Frischgas nicht mehr in axialer Richtung durch die Katalysatorschüttungen geführt, sondern im Querstrom zur Längsausdehnung, d. h. beim liegend angeordneten Ofen mit waagrechter Achse durch jede Katalysatorlage hindurch von oben nach unten und durch den jeweils nachfolgenden Zwischenbodenwärmetauscher von unten nach oben oder in beiden Fällen umgekehrt, wobei die Umlenkung des Gasstromes durch Schikanenbleche bewirkt wird, die nach jeder Katalysatorlage abwechselnd oberhalb und unterhalb der Katalysatorlagen den Gasdurchgang durch einen vom Katalysator freigehaltenen Gasdurchgangsraum entlang des gesamten Leitrohrinneren sperren.
* Stammpatent Nr. 216533.
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Das in üblicher Weise vorerst zur Kühlung des Druckkörpers von innen und gleichzeitig des Leitrohres von aussen benutzte Frischgas passiert den endständigen Hauptwärmetauscher, in diesem Falle vorzugsweise durch die Kühlrohren hindurch, strömt aus diesem entlang der Aussenwand eines zentral angeordneten Kaltgaszuführungsrolires bzw. entlang der Innenwand des letzten Katalysatorbehälters bis zum anschliessenden Zwischenbodenwärmetauscher, durchströmt, immer in Richtung auf das gegenüberliegende Ende des Reaktors, dessen Kühlröhren, umgeht auch den oder die nachfolgenden Katalysatorbehälter zentral bzw.
umspült die zwischen diesen angeordneten Wärmetauscherröhren und tritt endlich in die erste Katalysatorlage ein, passiert diese quer zur Richtung der Reaktorachse, umströmt sodann, nun wieder im Gegenstrom zur bisher eingehaltenen Richtung, die Kühlröhren des ersten anliegenden Wärmetauschers und so fort, bis das nunmehr ausreagierte Gas die Sekundärseite des Hauptwärmetauschers betritt und schliesslich den Reaktor zur Aufarbeitung verlässt.
Die zur Durchführung dieses neuen Verfahrens zur Gasführung dienende Einrichtung ist, wie eingangs erwähnt, eine Abwandlung der im Patent Nr. 225722 beschriebenen Apparatur. Sie besteht aus den bekannten Teilen Druckkörper 1, dem die gesamte katalytische Einrichtung gasdicht umschliessenden Leitrohr 2, dem Hauptwärmetauscher 3, einem Brenner 4 mit dem Brennerrohr 5.
Die die einzelnen Katalysatorvollraumbehälter 6,7, 8 gasführend miteinander verbindenden Zwischenbodenwärmetauscher 9,10 entsprechen den gleichnamigen Einrichtungsteilen des Patentes Nr. 225722.
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der Katalysator 6, 7, 8 auf einem Loch- oder Schlitzblech oder einem geeigneten Gitter oder Netz 11 auf und ist durch ein gleiches Element 12 nach oben derart abgeschlossen, dass sich weder unterhalb der zentralen Öffnung 13 noch unterhalb des Lochbleches 12 ein den freien Gasdurchgang in axialer Richtung ermöglichender Hohlraum bilden kann. Die Lochbleche 11 bzw. 12 bilden mit der jeweils anliegenden Innenwand des Leitrohres 2 einen im Querschnitt segmentartigen Hohlraum 17 bzw. 18, der sich durch die ganze Länge des Leitrohrinnenraums zieht und der der Reaktionsgasumleitung von einem Zwischenbodenwärmetauscher zur nächstanliegenden Katalysatorlage dient.
Der Querstrom des rückfliessenden Gases durch die Kühlröhrenpakete der einzelnen Zwischenbodenwärmetauscher 9,10 ist in üblicher Weise und wie auch in den vorerwähnten Patenten durch Schikanenbleche gesichert, die abwechselnd bis zur Innenwand des Leitrohres 2 reichen. Darüber hinaus wird der Querstrom des solcherart stufenweise gekühlten Reaktionsgases durch die jeweils nachfolgende Katalysatorlage zur nächstfolgenden Kühlstufe durch weitere, den jeweiligen Hohlraum 17 bzw. 18 abschliessende Schikanenbleche 14 unmittelbar nach jedem Katalysatorbehälter veranlasst.
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Process for conducting gas in catalytic high-pressure synthesis plants and device for carrying out the process
The subject of patent no.
216533 and a device serving to carry it through, with the cold fresh gas after cooling the pressure hull and the guide tube through the main heat exchanger, then through a central, continuous common opening in a reactor consisting of a pressure body, an insert jacket (guide tube) and a main heat exchanger the top of two or more full-volume beds of the catalyst and subsequently through the individual catalyst beds and alternately with these through intermediate floor heat exchangers which connect the latter in a gas-carrying manner, the cooling tubes of which are flushed in cross-flow by the fresh gas arriving from the main heat exchanger.
The development of catalytic high-pressure synthesis devices, in particular for ammonia production from nitrogen and hydrogen, is currently moving in the direction of increasing the size of the apparatus. However, there are limits to this enlargement, as far as it is a matter of the upright high-pressure furnaces that have been used up to now. The invention now relates to an improvement or modification of the method of operation and device described in Patent No. 225722, which allows its use also in the horizontal state of the reactor.
The reactors used up to now can only be operated in an upright position because, for example, the full-volume beds of the catalyst, which are often used today, would form cavities for the undesired passage of gas next to the catalyst by collapsing the same when turned over. If such a furnace with the other features of the two aforementioned patents is to be operated lying down, for example because of the oversize required for economic reasons, the gas routing or the catalyst arrangement requires a modification that makes the passage of the reaction gas next to the catalyst impossible.
According to the invention, the fresh gas is no longer passed in the axial direction through the catalyst beds, but in a cross-flow for longitudinal expansion, i. H. in the horizontally arranged furnace with a horizontal axis through each catalyst layer from top to bottom and through the subsequent intermediate floor heat exchanger from bottom to top or vice versa in both cases, the deflection of the gas flow is effected by baffle plates, which after each catalyst layer alternately above and below the Catalyst layers block the passage of gas through a gas passage space kept free of the catalyst along the entire interior of the guide tube.
* Master patent No. 216533.
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The fresh gas used in the usual way initially to cool the pressure hull from the inside and at the same time the guide tube from the outside passes the terminal main heat exchanger, in this case preferably through the cooling tubes, flows out of this along the outer wall of a centrally arranged cold gas supply roller or along the inner wall of the last one Catalyst tank to the subsequent intermediate floor heat exchanger, flows through, always in the direction of the opposite end of the reactor, its cooling tubes, also bypasses the subsequent catalyst tank or tanks centrally or
flows around the heat exchanger tubes arranged between these and finally enters the first catalyst zone, passes it transversely to the direction of the reactor axis, then flows around the cooling tubes of the first adjacent heat exchanger, again in countercurrent to the previously maintained direction, and so on, until the gas has now fully reacted enters the secondary side of the main heat exchanger and finally leaves the reactor for processing.
The device used to carry out this new process for conducting gas is, as mentioned at the outset, a modification of the apparatus described in Patent No. 225722. It consists of the known parts of the pressure body 1, the guide tube 2 enclosing the entire catalytic device in a gas-tight manner, the main heat exchanger 3, a burner 4 with the burner tube 5.
The intermediate floor heat exchangers 9, 10, which connect the individual full-space catalytic converter containers 6, 7, 8 to one another in a gas-carrying manner, correspond to the device parts of the same name in Patent No. 225722.
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the catalyst 6, 7, 8 on a perforated or slotted plate or a suitable grid or mesh 11 and is closed off by an identical element 12 at the top in such a way that there is no free gas passage either below the central opening 13 or below the perforated plate 12 can form in the axial direction enabling cavity. The perforated plates 11 and 12 form with the adjacent inner wall of the guide tube 2 a cavity 17 or 18, segment-like in cross section, which runs through the entire length of the guide tube interior and which is used to divert the reaction gas from an intermediate floor heat exchanger to the next adjacent catalyst layer.
The cross-flow of the return gas through the cooling tube packages of the individual intermediate floor heat exchangers 9, 10 is secured in the usual way and, as in the aforementioned patents, by baffle plates which alternately extend to the inner wall of the guide tube 2. In addition, the cross-flow of the reaction gas, which has been gradually cooled in this way, is initiated through the subsequent catalyst zone to the next cooling stage by further baffle plates 14 closing off the respective cavity 17 or 18 immediately after each catalyst container.