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Verfahren und Vorrichtung zur Führung des Synthesegases in katalytischen, zylinderförmigen Hochdrucksynthesereaktoren, insbesondere für die
Ammoniaksynthese
Für die Durchführung exothermer Gasreaktionen unter hohem Druck, z. B. für die
Methanolsynthese, vor allem aber für die Ammoniaksynthese, haben sich zylinderförmige
Hochdruckreaktoren bewährt, in denen der Katalysator in einzelne, sogenannte Vollraumschüttungen unterteilt ist, die axial vom Synthesegas durchströmt werden, wobei zwischen diesen Schichten durch indirekten Gegenstromwärmetausch mit frischem Synthesegas, das gleichzeitig auf Reaktionstemperatur vorgewärmt wird, für die Abführung der überschüssigen Wärme gesorgt wird (s. österr. Patentschrift
Nr. 215436).
In diesen Katalysatorschichten tritt, je nach Höhe der Katalysatorschicht und
Feinkörnigkeit des verwendeten Katalysators ein relativ hoher Druckverlust auf, der sich besonders bei der aus Gründen der optimalen Temperaturführung lang ausgebildeten Endkatalysatorlage und bei grossen Ofeneinheiten störend bemerkbar macht.
Um diesen unangenehmen Druckverlust herabzusetzen, wurde gemäss deutscher Auslegeschrift 1256205 vorgeschlagen, das Synthesegas entweder vom Zentrum des Reaktors zur Peripherie oder von der Peripherie zum Zentrum radial durch eine, zwischen zwei koaxial angeordneten, zylinderförmigen Lochblechen angeordnete Katalysatorschicht zu führen, wobei allerdings die Einschränkung gemacht wurde, dass in einem solchen Fall nur ausserhalb des Reaktors vorreduzierter Katalysator eingesetzt werden kann, weil bei einer Reduktion im Reaktor selbst wegen der durch die radiale Strömungsrichtung unregelmässigen Strömung und die Möglichkeit einer Rückdiffusion eine Schädigung des bereits reduzierten Katalysators unvermeidlich erschien.
Für die Kühlung eines, nach diesem Prinzip gebauten, nur radial durchströmten Ammoniak-Synthese-Reaktors, der aus zwei unmittelbar übereinander angeordneten Katalysatorschichten besteht, von denen eine vom Zentrum zur Peripherie, die zweite von der Peripherie zum Zentrum des Reaktors durchströmt wird, ist gemäss The Oil and Gas Journal 65, Heft 13,1967, Seite 75, eine Kühlung durch Zuführung von kaltem Synthesegas vorgesehen, das dem reagierenden Gas während des Übertritts von einer Schichte in die andere Schichte zugemischt wird.
Einem weiteren Vorschlag, die radiale Gasführung nicht in allen Katalysatorschichten eines Mehrschichten-Vollraumkonverters, sondern nur in der langen Endkatalysatorlage anzuwenden, der der österr. Patentschrift Nr. 281870 zu entnehmen ist, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Schädigung des Katalysators bei der Reduktion im Reaktor bei radialer Gasströmung dann vermieden werden kann, wenn das Gas radial vom Zentrum zur Peripherie, nicht aber von der Peripherie zum Zentrum geführt wird. Dadurch war es möglich, in einem Synthesereaktor mit mehreren Katalysatorschichten und beliebiger Zwischenkühlung bei Beibehaltung der axialen Strömungsrichtung in den ersten Katalysatorlagen die Endkatalysatorlage radial durchströmen zu lassen, ohne dadurch die Verwendung eines vorreduzierten Katalysators in Kauf nehmen zu müssen.
Trotzdem sind aber auch hier noch
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Schwierigkeiten in der gleichmässigen Beschickung der Katalysatorlage in der gesamten Länge zu verzeichnen, was auf die geringe Strömungsgeschwindigkeit zurückzuführen ist.
Es konnte nun gefunden werden, dass ein geringerer Druckverlust in Vollraumkatalysatorlagen erzielt werden kann, als sie bei axialer Durchströmung einer solchen Schicht verzeichnet werden und trotzdem der Nachteil einer ungleichmässigen Gasverteilung wegfällt, wenn das Gas vom Zentrum ausgehend mit Hilfe eines gasdichten Leitbleches schneckenförmig durch die Katalysatorschicht geführt wird. Diese Gasführung hat den Vorteil, dass praktisch im gesamten Weg durch die Katalysatorschicht der Gasströmungsquerschnitt und damit die Strömungsgeschwindigkeit praktisch gleichgehalten werden kann, so dass auch eine Reduktion des Katalysators im Ofen selbst auf keinerlei Schwierigkeiten stösst.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Führung des Synthesegases in katalytischen, zylinderförmigen Hochdrucksynthesereaktoren, insbesondere für die Ammoniaksynthese, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas in der gesamten Länge einer im Reaktor befindlichen
Katalysatorlage schneckenförmig vom Zentrum des Reaktors zu dessen Peripherie strömt, wobei das
Synthesegas im Zuge seines schneckenförmigen Weges abschnittsweise durch Zumischen von kaltem, noch nicht reagiertem Synthesegas oder indirektem Wärmetausch gekühlt wird.
Das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens ist mit grossem Vorteil auf grosse Reaktoren anwendbar, bei denen der Druckverlust des Ofens eine grosse Rolle spielt.
Da durch den geringeren Druckverlust die Möglichkeit besteht, kleineres Katalysatorkorn einzusetzen, kann dabei eine sehr gute Ausbeute erzielt werden. Ein solcher Reaktor besitzt vorzugsweise eine einzige, durchgehende, in der Längsrichtung nicht unterteilte Katalysatorfüllung, in die das schneckenförmige Leitblech eingebettet ist. Diese Füllung wird vom Gaseintrittsschacht ausgehend mit Gas beschickt, während das ausreagierte Gas an der Peripherie des Katalysatoreinsatzes gesammelt und von dort abgezogen wird. Der zur Erzielung einer optimalen Temperaturführung nötigen zwischengeschalteten Kühlung kann in solchen Reaktoren durch Einschaltung von senkrechten Kühlschächten in den schneckenförmigen Gasweg Rechnung getragen werden, die aus der Katalysatorfüllung ausgespart werden, ohne dabei die Kontinuität der Gasströmung zu stören.
Die Kühlung in den Kühlschächten erfolgt dann zweckmässig durch Einführung von Kaltgas. Dabei ist es zweckmässig, den Abstand zwischen den Kühlschächten, die zwei, drei oder mehr sein können, nach aussen hin zuvergrössern, und so auch bei der erfmdungsgemässen Gasführung das Prinzip einer langen Endkatalysatorlage beizubehalten. Diese Reaktorkonstruktion ist sehr einfach, weil eine komplizierte Gasführung zum Zwecke der Kühlung nicht nötig ist. Die Kaltgaszuführung von oben ist sehr einfach und der Platzbedarf für die Kühlschächte relativ gering, so dass eine optimale Ausnützung des teuren Hochdruckraumes gegeben ist.
Es ist jedoch auch möglich, das Prinzip der erfindungsgemässen Gasführung auch nur auf die Endkatalysatorlage eines sonst in beliebiger Weise beschickten Hochdruckreaktors mit mehreren Katalysatorlagen anzuwenden. In diesem Fall fällt die Kühlung durch die in den schneckenförmigen Gasweg eingeschalteten Kühlschächte weg. Die Kühlung des Gases vor Eintritt in die erfindungsgemäss beschickte Endkatalysatorlage kann dann auf beliebige Weise, also nicht nur durch Kaltgaszuführung, sondern auch durch indirekten Wärmetausch mit einem Kühlmittel oder mit frischem, noch nicht reagiertem Synthesegas erfolgen.
Wie schon erwähnt, können Reaktoren, in denen die erfindungsgemässe Gasführung angewendet wird, mit feinkörnigem Katalysator beschickt werden, vorzugsweise mit einem solchen einer Korngrösse von weniger als 6 mm.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend aus einem zylindrischen Ofeneinsatz --1-- an dessen unterem Ende ein Hauptwärmetauscher --17-- angebracht ist sowie dem, dem Hauptwärmetauscher-17-
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wobei sowohl der Gaseintrittsschacht --4-- als auch der Gasaustrittsschacht --6-- von der Katalysatorfüllung durch ebenfalls den Ofeneinsatz der ganzen Länge nach durchziehende,
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sind, die nicht mit Katalysator befüllt sind und in die die Rohre --12-- zur Einführung von kaltem Synthesegas münden.
Beispiele für solche Vorrichtungen sind in den Fig. 1 bis 4 wiedergegeben. In diesen Figuren bedeutet --1-- den Mantel des Ofeneinsatzes, der von dem in den Figuren zum Zwecke der Vereinfachung nicht gezeichneten Hochdruckmantel umgeben ist,-2-das zentrale Gasführungsrohr, durch das das Gas, das den Hauptwärmetauscher vorgewärmt verlässt, nach oben geführt wird, um eine Beschickung der Katalysatorfüllung von oben zu ermöglichen und-3-das schneckenförmige Leitbalech.
--4-- ist der Gaseintrittsschacht, der mit seiner gasdurchlässigen Wand-5-an die Katalysatorfüllung angrenzt,--6--der Gasaustrittsschacht, ebenfalls versehen mit einer gasdurchlässigen Wand-7, 8-ist der Brenner, --9-- sind jene Öffnungen, über die das Gas vom
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werden, um einen Gaskurzschluss zu verhindern, wenn durch Setzungserscheinungen im Katalysator unterhalb des Deckels --15-- ein freier Raum entstehen sollte. Mit-16-ist der Boden des Katalysatorbehälters im Ofeneinsatz bezeichnet.
In Fig. 1 ist ein Reaktor dargestellt, in dem ausschliesslich das erfindungsgemässe Prinzip der Gasführung angewendet wird. Fig. 2 zeigt diesen Reaktor im Querschnitt. Dieser Reaktor besitzt eine einheitliche, durchgehende Katalysatorfüllung, die durch Einbau der senkrechten Kühlschächte-10-- in die aus Gründen der optimalen Temperaturführung nötigen Abschnitte unterteilt ist, wobei der letzte, peripher gelegene Abschnitt der Katalysatorfüllung gewissermassen die lange Endkatalysatorlage ist.
Der Gaseintrittsschacht --4-- ist bei dieser Ausführungsmöglichkeit der erfmdungsgemässen Vorrichtung ein Schacht mit spitzwinkeligem, gekrümmtem Querschnitt, der zwischen dem Mantel des zentralen Gasführungsrohres --2-- und dem Beginn des schneckenförmigen Leitbleches-3gebildet wird, er ist also in den Beginn des schneckenförmigen Gasweges eingebaut. Die gasdurchlässige Wand --5-- liegt dann dem spitzen Winkel gegenüber. Analog dazu ist der Gasaustrittsschacht - konstruiert, der praktisch das Ende des schneckenförmigen Gasweges darstellt, u. zw. unter Ausnützung des Raumes mit spitzwinkeligem, gekrümmtem Querschnitt, wie er durch den gasdichten
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liegt--15-- des Katalysatorbehälters bzw.
Ofeneinsatzes liegt, u. zw. naturgemäss nur an jenen Teilen der Rohrwand, die das zentrale Gasführungsrohr --2-- mit dem Gaseintrittsschacht--4--gemeinsam
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--16-- des- erfolgt über die im Deckel --15-- des Ofeneinsatzes --1-- eingelassenen Rohre --12--.
Die Verteilung desselben über die ganze Länge des Schachtes --10-- ist nach beliebiger Methode möglich, z. B. über Rohre, die in verschiedener Höhe mit Gasaustrittsorganen versehen sind. Es versteht sich, dass das Leitblech entweder am zentralen Gasführungsrohr und dem Mantel des Ofeneinsatzes direkt angeschweisst sein kann oder aber an zylinderförmigen Blechen, die das zentrale Gasführungsrohr unmittelbar umgeben, bzw. ohne nennenswerte Spaltbildung in den Ofeneinsatz eingesetzt werden.
Die Gasführung in dieser Vorrichtung führt vom üblichen Ringspalt zwischen Ofeneinsatz--l-- und dem nicht dargestellten Hochdruckkörper in den Raum um die Rohre des Hauptwärmetauschers - -17--, wo das Gas vorgewärmt wird. Es wird dann im zentralen Gasführungsrohr --2-- gesammelt nach oben geführt und gelangt knapp unter dem Deckel --15-- des Ofeneinsatzes in den Gaseintrittsschacht-4--. Im zentralen Gasführungsrohr-2-kann der Brenner angeordnet sein,
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in den schneckenförmigen Weg ein, wo die Synthese stattfindet.
Nach Verlassen der Katalysatorfüllung wird das Gas im Gasaustrittsschacht --6-- gesammelt und gelangt von dort in die Rohre des Hauptwärmetauschers--17--. Natürlich kann auch das ausreagierte Gas im Raum um die Rohre und das frische Gas in den Rohren des Hauptwärmetauschers geführt werden.
Fig. 3 gibt eine Vorrichtung wieder, in der das erfindungsgemässe Prinzip der Gasführung nur in der Endkatalysatorlage eines sonst axial durchströmten Ofens mit indirektem Wärmetausch mit dem frischen Synthesegas zwischen den einzelnen Katalysatorlagen angewendet wird. Fig. 4 zeigt diese Endkatalysatorlage im Querschnitt. Bei dieser Ausführungsform wird das teilweise ausreagierte Synthesegas nach Verlassen des letzten Zwischenbodenwärmetauschers gesammelt und von dort in den Gaseintrittsschacht--4-geleitet, der als konzentrischer Ringraum um das zentrale Gasführungsrohr - -2-- ausgebildet ist.
Das schneckenförmige Leitblech--3--ist bei dieser Konstruktion erst am Mantel dieses Ringraumes --5-- befestigt und der durch das Leitblech --3-- entstehende schneckenförmige Gang daher zur Gänze mit Katalysator befüllt. Die gasdurchlässige Wand-5-ist in diesem Fall ein Teil des Mantels des Ringraumes--4--, der an der Anschlussstelle des Leitbleches - 3--beginnt und etwa 1/4 dieses Mantels ausmacht. Ebenso ist der Gasaustrittsschacht --6-- in diesem Fall ein Ringraum, der die gesamte Katalysatorfüllung umgibt und dessen innere Begrenzung durch das Leitblech --3-- gebildet wird, das dann in sich abschliessen muss.
Etwa ein Viertel dieser inneren Begrenzung dieses Ringraumes ist dann wieder gasdurchlässig ausgebildet, u. zw. an jener Stelle, an der die äussere Windung des schneckenförmigen Bleches--3-an die vorhergehende Windung anschliesst. Die Kühlschächte fallen in Fig. 3 naturgemäss weg. In Fig. 4 sieht man die Anordnung der Schikanebleche-14--, die in radialer Richtung verlaufend, am Deckel - --15-- des Katalysatorbehälters, der in diesem Fall der die Katalysatorschicht nach oben abschliessende Zwischenboden ist, befestigt sind.
Alle gasdurchlässigen Wände nämlich--5, 7 und 11--können in üblicher Weise als Loch- oder Schlitzbleche ausgebildet sein.
Das Prinzip des Reaktors nach den Fig. 2 und 3 ist auf alle möglichen Arten der Kühlung zwischen den Katalysatorlagen anwendbar.
Beispiel : In einem Ammoniaksynthesereaktor, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, sind 2, 3 m3 eines üblichen Ammoniaksynthesekontaktes auf Eisenbasis mit einer Korngrösse von 2, 5 mm eingesetzt.
Durch Einbau von 2 Kühlschächten ist diese Katalysatorfüllung in 3 Abschnitte unterteilt, wobei im ersten Abschnitt 0, 18 m3, im zweiten Abschnitt 0, 52 m3 und im dritten Abschnitt 1, 54 m3 Katalysator angeordnet sind. Der Reaktor wird stündlich mit 54800 Nm3 Synthesegas mit einem NH3-Gehalt von etwa 2% und einem Inertgasgehalt von 8% beaufschlagt, die Synthese wird bei 310 atm durchgeführt.
Nach Verlassen des ersten Katalysatorabschnittes beträgt die Temperatur des Gases 546 C, sie wird durch Zumischen von 10100 Nm3 Kaltgas im ersten Kühlschacht auf 465 C herabgesetzt. Im zweiten Katalysatorabschnitt tritt wieder Temperaturerhöhung auf 5410e auf, die im 2. Kühlschacht durch Zumischen von 10100 Nm3 Kaltgas auf 470 C abgesenkt wird. Nach Verlassen des dritten Katalysatorabschnittes hat das Gas bei 528 C Ausgangstemperatur einen NH3-Gehalt von 16, 9%.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Führung des Synthesegases in katalytischen, zylinderförmigen Hochdruck-
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das Synthesegas in der gesamten Länge einer im Reaktor befindlichen Katalysatorlage schneckenförmig vom Zentrum des Reaktors zu dessen Peripherie strömt, wobei das Synthesegas im Zuge seines schneckenförmigen Weges abschnittsweise durch Zumischen von kaltem, noch nicht reagiertem Synthesegas oder indirektem Wärmetausch gekühlt wird.