BE1029985A1 - Verfahren zur Ammoniaksynthese und Anlage zur Herstellung von Ammoniak - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ammoniaksynthese in einem Synthesekreislauf (1), wobei ein Gasgemisch aufweisend Stickstoff (N2) Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) mit einer Fördereinrichtung (2), mit einer Saugseite und einer Druckseite, im Synthesekreislauf (1) zyklisch gefördert wird, wobei Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) in einem Konverter (3) zumindest teilweise zu Ammoniak (NH3) umgesetzt werden und wobei das Gasgemisch in einer Abkühleinrichtung (4) derart abgekühlt wird, dass Ammoniak (NH3) aus dem Gasgemisch auskondensiert und wobei die Fördereinrichtung (2) eine Saugseite (5) und eine Druckseite (6) aufweist, wobei Wasserstoff zumindest teilweise durch Elektrolyse bereitgestellt wird. Bei einem Verfahren, bei dem die Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energien für die Bereitstellung von Wasserstoff in bestehende Anlagenkonzepte integriert werden kann, ist vorgesehen, dass das Gasgemisch in Strömungsrichtung vor der Abkühleinrichtung (4) in einen ersten Teilstrom (7) und einen zweiten Teilstrom (8) aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom (7) durch die Abkühleinrichtung (4) geleitet wird und dass der zweite Teilstrom (8) in einen Bereich in Strömungsrichtung vor der Saugseite (5) der Fördereinrichtung (2) wieder in den Synthesekreislauf (1) eingebracht wird.

Description

Verfahren zur Ammoniaksynthese und Anlage zur Herstellung von Ammoniak

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ammoniaksynthese in einem Synthesekreislauf, wobei ein Gasgemisch aufweisend Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak mit einer

Fördereinrichtung, mit einer Saugseite und einer Druckseite, im Synthesekreislauf zyklisch gefördert wird, wobei Stickstoff und Wasserstoff in einem Konverter zumindest teilweise zu

Ammoniak umgesetzt werden und wobei das Gasgemisch in einer Abkühleinrichtung derart abgekühlt wird, dass Ammoniak aus dem Gasgemisch auskondensiert und wobei die

Fördereinrichtung eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, wobei Wasserstoff zumindest teilweise durch Elektrolyse bereitgestellt wird.

Daneben betrifft die Erfindung eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak in einem

Synthesekreislauf, mit mindestens einer Fördereinrichtung zum zyklischen Fördern eines

Gasgemisches aufweisend Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak mit mindestens einem

Konverter, wobei Stickstoff und Wasserstoff im Konverter zumindest teilweise zu Ammoniak umsetzbar sind und mit mindestens einer Abkühleinrichtung in der das Gasgemisch derart abkühlbar ist, dass Ammoniak aus dem Gasgemisch auskondensiert, wobei die

Fördereinrichtung eine Saugseite und eine Druckseite aufweist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachrüsten einer Anlage zur Herstellung von

Ammoniak.

Ammoniak ist einer der wichtigsten Grundstoffe. Die Weltjahresproduktion beträgt derzeit etwa 170 Millionen Tonnen. Der größte Teil des Ammoniaks wird zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Die groBtechnische Herstellung verwendet heute weitgehend die von Haber und

Bosch zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelte Hochdrucksynthese in Festbettreaktoren mit Eisen als katalytisch aktiver Hauptkomponente, basierend auf einem stöchiometrisch zusammengesetzten Synthesegas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff und Stickstoff. Die

Erzeugung des Synthesegases erfolgt vorwiegend Über die Erdgasroute. Nachteilig sind hierbei die großen Mengen an anfallendem Kohlendioxid.

Durch den exothermen Charakter der Ammoniak-Bildungsreaktion entstehen im

Prozessverlauf verhältnismäßig große Wärmemengen. Für einen guten spezifischen

Energieverbrauch des Gesamtprozesses müssen sie möglichst effizient genutzt werden.

Generell ist die Abwärmenutzung mit thermodynamisch unvermeidbaren Verlusten verbunden. Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, Alternativen zum Haber-Bosch-

Verfahren zu entwickeln, die ohne die hohen Temperaturen und Drücke arbeiten. Im Haber-

Bosch-Verfahren wird die fundamentale Schwierigkeit der Aktivierung des sehr reaktionsträgen Stickstoff-Moleküls durch den Einsatz spezifisch sehr aktiver Katalysatoren in

Kombination mit verhältnismäßig hohen Temperaturen überwunden. Eine Alternative für die

Bereitstellung der erforderlichen Aktivierungsenergie ist der Einsatz elektrischer Energie.

Zur Einsparung von Kohlendioxid gibt es Überlegungen, die Rohstoffe, insbesondere

Wasserstoff, nicht bzw. nicht komplett über die Erdgasroute zu erhalten. Die EP 2 589 426 A1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, bei dem Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen wird. Stickstoff kann beispielsweise aus einer kryogenen Luftzerlegungsanlage gewonnen werden. Die Stoffe werden miteinander vermischt und auf einen Druck im Bereich von 80 bis 300 bar verdichtet.

Das Problem dabei ist, dass erneuerbare Energien wie Wind oder Solar stark schwanken kônnen. Der Elektrolyseur kann diesen Schwankungen schnell und auch in einem weiten

Lastbereich bis zu einer Teillast von 10 % folgen. Die Ammoniakanlage bekommt dann einen verringerten Wasserstoffstrom, was einen komplexen Regeleingriff erfordert, um die

Ammoniakanlage in einen Teillastbetrieb zu überführen, ohne Maschinen und Apparate zu beschädigen, und eine ununterbrochene Produktion von Ammoniak zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer

Ammoniakanlage sowie eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak anzugeben, bei denen die Nutzung fluktuierender erneuerbarer Energien für die Bereitstellung von Wasserstoff in bestehende Anlagenkonzepte integriert werden kann.

Diese Aufgabe ist zunächst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Gasgemisch vor der Abkühleinrichtung in einen ersten Teilstrom und einen zweiten

Teilstrom aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom durch die Abkühleinrichtung geleitet wird und dass der zweite Teilstrom in einen Bereich in Strömungsrichtung vor der Saugseite der

Fördereinrichtung wieder in den Synthesekreislauf eingebracht wird.

Bei kleinerer Einsatzgas- oder Wasserstoffmenge besteht das Risiko, dass bei geringerer

Umlaufmenge die Reaktion in einem Konverter mit mehreren Katalysatorbetten im ersten

Katalysatorbett weiter fortschreitet. Hierdurch kann die Austrittstemperatur aus dem ersten

Bett zu hoch werden, was zu Beschädigungen des Katalysators und des drucktragenden

Reaktormantels führen kann. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass bereits Einsatzgas verbraucht wird, das normalerweise erst im zweiten Katalysatorbett reagiert. Dadurch würde das zweite Katalysatorbett abkühlen. Durch eine längere Verweilzeit kühlt das Gas auch in etwaigen internen Wärmetauschern unter die Anspringtemperatur für ein môgliches drittes

Katalysatorbett.

Eine zu hohe Austrittstemperatur aus dem ersten Katalysatorbett lässt sich dadurch vermeiden, dass die Eintrittskonzentration an Ammoniak in den Konverter angehoben wird.

Normalerweise ergibt sich die Eintrittskonzentration in den Konverter aus der Temperatur, bei der das Ammoniak abgeschieden wird. Man könnte also die Ammoniakeintrittskonzentration dadurch erhöhen, dass das Kreislaufgas durch die Abkühleinrichtung weniger abgekühlt wird.

Dies hätte jedoch den Nachteil, dass sich das Temperaturniveau in allen Apparaten der

Abkühleinrichtung verändern würde, so dass — wenn die volle Menge an Wasserstoff wieder verfügbar ist — die Abkühleinrichtung erst wieder heruntergekühlt werden müsste und eine gewisse Zeit vergeht, bis die Anlage wieder auf 100 % laufen kann.

Um im Falle einer erforderlichen Laständerung die Konzentration schnell ändern zu können, wird daher ein Bypass um die Abkühleinrichtung ermöglicht. So wird erreicht, dass nur aus einem Teil des Kreislaufgases Ammoniak auskondensiert wird, während ein Ammoniak reicher

Strom an der Abkühleinrichtung vorbeigeleitet wird. Die gewünschte Ammoniakkonzentration ergibt sich dann aus der Mischung des abgekühlten Stroms und des Bypassstroms auf der

Saugseite der Fördereinrichtung.

Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäBen Verfahrens ist vorgesehen, dass der zweite Teilstrom vor Einbringung in den Synthesekreislauf abgekühlt wird. Die

Eintrittstemperatur in die Fördereinrichtung darf nicht zu hoch sein, da sonst die

Fördereinrichtung durch zu hohe Austrittstemperaturen beschädigt werden könnte. Hierzu kann ein Teil des warmen Bypass-Stromes über einen Wasserkühler geleitet werden, so dass die Temperatur an der Saugseite der Fördereinrichtung als Mischungstemperatur von kaltem

Kreislaufgas und teilweise gekühltem Bypass-Gas geregelt werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Stickstoff mittels

Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird.

Die zuvor genannte Aufgabe wird auBerdem gelöst von einer Anlage zur Herstellung von

Ammoniak in einem Synthesekreislauf, mit mindestens einer Fördereinrichtung zum zyklischen Fördern eines Gasgemisches aufweisend Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak mit mindestens einem Konverter, wobei Stickstoff und Wasserstoff im Konverter zumindest teilweise zu Ammoniak umsetzbar sind und mit mindestens einer Abkühleinrichtung in der das

Gasgemisch derart abkühlbar ist, dass Ammoniak aus dem Gasgemisch auskondensiert,

wobei die Fördereinrichtung eine Saugseite und eine Druckseite aufweist. Es ist ferner eine

Bypassleitung vorgesehen, wobei durch die Bypassleitung das Gasgemisch in einen ersten

Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufteilbar ist und wobei die Bypassleitung einen

Stömungspfad in Strömungsrichtung vor der Abkühleinrichtung zu einem Bereich in

Strôümungsrichtung vor der Saugseite der Fördereinrichtung bildet.

Eine unzulässige Erhöhung der Austrittstemperatur aus einem Katalysator im Konverter kann vermieden werden, indem der NH3-Gehalt am Eintritt des Konverters angehoben wird. Die sich daraus ergebende maximale Temperatur am Austritt des Katalysatorbettes, die

Gleichgewichtstemperatur, liegt dann niedriger und innerhalb des erlaubten Bereiches. Hierzu wird ein Teil des heißen, reagierten Kreislaufgases um die Abkühleinrichtung, die beispielsweise Gascooler, Cold Exchanger und/oder Loopchiller umfassen kann, herumgeführt. Der andere Teil des Gases wird in der Abkühleinrichtung auf die unveränderte

Kondensationstemperatur des Ammoniaks abgekühlt. Danach wird dieser erste Teilstrom mit einem geringen Ammoniakhalt mit dem ammoniakreichen Bypassstrom, dem zweiten

Teilstrom, gemischt und der Saugseite der Fördereinrichtung zurückgeführt. Bei der

Fördereinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Kompressor beziehungsweise ein

Gebläse handeln.

Die obigen Ausführungen betreffend das erfindungsgemäße Verfahren gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Anlage zur Herstellung von Ammoniak.

Bei einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist vorgesehen, dass die

Bypassleitung einen Wärmetauscher zum Abkühlen des zweiten Teilstroms aufweist. Es muss sichergestellt werden, dass die Eintrittstemperatur des Mischstromes Fördereinrichtung nicht zu hoch ist, sodass eine unzulässige hohe Austrittstemperatur des Verdichters vermieden wird. Dazu wird ein Teil des Bypasstromes über einen Wärmetauscher geleitet und abgekühlt.

Der Massenstrom wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Mischstromes auf der

Saugseite der Fördereinrichtung geregelt.

Um die Temperatur besonders präzise einstellen zu können ist bei einer weiteren

Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage eine zweite Bypassleitung zum Umgehen des

Wärmetauschers vorgesehen.

Beieiner vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist vorgesehen, dass der

Konverter ein erstes Katalysatorbett, ein zweites Katalysatorbett und ein drittes Katalysatorbett aufweist.

Um die Reaktion im Konverter effizienter handhaben zu können, ist bei einer weiteren

Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Konverter mindestens zwei radial durchströmbare Wärmetauscher aufweist und dass der erste Wärmetauscher zwischen dem 5 ersten und dem zweiten Katalysatorbett angeordnet ist und dass der zweite Wärmetauscher zwischen dem zweiten und dem dritten Katalysatorbett angeordnet ist.

Zusätzlich oder alternativ ist bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäBen Anlage in Strômungsrichtung nach dem Konverter eine Einrichtung zur Dampferzeugung vorgesehen.

Die vorgenannte Aufgabe wird auBerdem gelôst von einem Verfahren zum Nachrüsten einer

Anlage zur Herstellung von Ammoniak, mit mindestens einer Fôrdereinrichtung zum zyklischen Fôrdern eines Gasgemisches aufweisend Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak mit mindestens einem Konverter, wobei Stickstoff und Wasserstoff im Konverter zumindest teilweise zu Ammoniak umsetzbar sind und mit mindestens einer Abkühleinrichtung in der das

Gasgemisch derart abkühlbar ist, dass Ammoniak aus dem Gasgemisch auskondensiert, wobei die Fördereinrichtung eine Saugseite und eine Druckseite aufweist. Zum Nachrüsten wird eine Bypassleitung eingebracht. Durch die Bypassleitung ist das Gasgemisch in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufteilbar, wobei die Bypassleitung einen

Strömungspfad in Strömungsrichtung vor der Abkühleinrichtung zu einem Bereich in

Strömungsrichtung vor der Saugseite der Fördereinrichtung bildet.

Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles einer Anlage zur Herstellung von

Ammoniak mit einem Bypass vor einer Abkühleinrichtung,

Fig. 2 ein Konzentrations- und Temperaturprofil im Konverter, wie im Stand der

Technik üblich und

Fig. 3 ein Konzentrations- und Temperaturprofil im Konverter gemäß der vorliegenden

Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Ammoniakanlage. Beim Betreiben der Ammoniakanlage wird ein Gasgemisch aufweisend Stickstoff (N2) Wasserstoff (H2) und

Ammoniak (NH3) in einem Synthesekreislauf 1 mit einer Fördereinrichtung 2 zyklisch gefôrdert. Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) werden in einem Konverter 3 zumindest teilweise zu Ammoniak (NH3) umgesetzt. Das Gasgemisch wird anschließend in einer

Abkühleinrichtung 4 derart abgekühlt, dass Ammoniak (NH3) aus dem Gasgemisch auskondensiert. Wasserstoff wird dabei zumindest teilweise durch Elektrolyse bereitgestellt.

Die Fôrdereinrichtung 2 weist eine Saugseite 5 und eine Druckseite 6 aufweist. Es ist vorgesehen, dass das Gasgemisch in Strömungsrichtung vor der Abkühleinrichtung 4 in einen ersten Teilstrom 7 und einen zweiten Teilstrom 8 aufgeteilt wird. Der erste Teilstrom 7 wird anschließend durch die Abkühleinrichtung 4 geleitet, wobei der zweite Teilstrom 8, mittels einer Bypassleitung 9, in einem Bereich in Strömungsrichtung vor der Saugseite 5 der

Fördereinrichtung 2 wieder in den Synthesekreislauf 1 eingebracht wird.

In der hier betrachteten Anlage erfolgt die Ammoniakreaktion katalysiert in einem Konverter 3 mit drei, hier nicht dargestellten, radial durchströmten Betten und zwei inneren

Wärmetauschern. Durch Wärmetausch zwischen den beiden Betten wird bewirkt, dass die exotherme Ammoniakreaktion, von Bett zu Bett, weiter fortschreiten kann und das kalte

Kreislaufgas auf Anspringtemperatur des Katalysators vorgewärmt wird. Das heiße

Reaktionsgas verlässt den Konverter 3 mit einer Temperatur von rund 410 °C und einem

Ammoniakgehalt von 24.9 Vol.-% und dient dazu, Dampf zu erzeugen. Im Gas/Gas-

Wärmetauscher 10 erwärmt es das abgekühlte Kreislaufgas. Danach wird das Gas in den ersten Teilstrom 7 und den zweiten Teilstrom 8 aufgeteilt. Das Verhältnis der beiden Ströme zu einander beträgt vorzugsweise 36:64. Der erste Teilstrom wird in der Abkühleinrichtung 4 auf 0.4 Grad Celsius abgekühlt und das auskondensierte Ammoniak abgeschieden. Die

Ammoniakkonzentration ist mit 4.9 Vol.-% jetzt deutlich niedriger als die des zweiten

Teilstromes 8. Der zweite Teilstrom 8 wird an der Abkühleinrichtung 4 vorbei zur Saugseite 5 der Fördereinrichtung 2 geführt.

Es muss jedoch gewährleistet sein, dass die Ansaugtemperatur der Fördereinrichtung 2 nicht zu hoch ist, damit die Fördereinrichtung 2, beispielsweise ein Verdichter, nicht beschädigt wird.

Hierzu wird ein Teil des Bypasstromes über einen Wärmetauscher 11 geleitet. Ein weiterer

Teil des Stroms kann über eine zweite Bypassleitung 12 an dem Wärmetauscher 11 vorbei geführt werden. Die Menge dieses Teilstromes wird über einen Temperaturregler auf 48 Grad

Celsisus Eintrittstemperatur in die Fördereinrichtung 2 eingestellt. Der ammoniakreiche zweite

Teilstrom 8 und der ammoniakarme, abgekühlte erste Teilstrom 7 werden auf der Saugseite 5 wieder vermischt, wobei sich die gewünschte Ammoniakeintrittskonzentration von 16.9 Vol.-%

in den Konverter 3 einstellt. Die Fôrdereinrichtung 2 fôrdert den Mischstrom in den Konverter 3. Zusätzlich ist in Fig 1 eine Einrichtung zur Dampferzeugung 13 vorgesehen, die durch das heiße Reaktionsgas nach Austritt aus dem Konverter 3 Dampf erzeugt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft den Temperaturverlauf durch drei Katalysatorbetten, wie im Stand der

Technik üblich. Hierbei steigt die Temperatur und NH3-Konzentration in den Betten an (Bett 1

C11-C12, Bett 2 C21-C22 und Bett 3 C31-C32). Zwischen den Betten 1 und 2 und 2 und 3 sind die inneren Wärmetauscher angeordnet, so dass die Temperatur bei gleichbleibender

Ammoniakkonzentration wieder sinkt (1. Innerer Wärmetauscher C12-C21, 2. Innerer

Wärmetauscher C22-C31) und die exotherme Reaktion weiter voranschreiten kann.

Bei Teillast der Anlage zur Herstellung von Ammoniak ändert sich das Verhalten des Systems allgemein wie folgt, wenn nicht eingegriffen wird: 15» In den Katalysatorbetten erhôht sich die Verweilzeit des Gases. Dadurch reagieren die

Komponenten bis näher ans Gleichgewicht, im Diagramm verschieben sich die Punkte C12,

C22 und C32 in Richtung der Gleichgewichtskurve. Dies ist für das erste Bett durch die

Verschiebung des Punktes C12 nach C12‘ angedeutet. » In den inneren Wärmetauschern gleicht sich die Austrittstemperatur der Temperatur des Mediums auf der anderen Seite an. Dies ist für den zweiten Wärmetauscher durch

Verschiebung des Punkt C31 durch C31‘ angedeutet.

Verlässt eine Temperatur am Konverter 3 einen bestimmten Bereich, bedeutet diese Änderung keinen graduellen Unterschied, sondern eine komplette Änderung des Verhaltens des

Systems: ° Für Punkt C12 gibt es eine Maximaltemperatur (ca. 500 °C), die nicht überschritten werden darf. Wird sie überschritten, hat das zur Folge, dass der Stahl in der NH3-Atmosphäre nitriert und spröde wird. Das hat eine Verkürzung der Lebensdauer zur Folge, was vermieden werden muss. ° Punkte C11, C21 und C31 dürfen nicht unter die sogenannte Anspringtemperatur des

Katalysators fallen. Unterhalb der Anspringtemperatur (ca. 370 °C) läuft die Reaktion nicht ab.

Fällt die Temperatur unter diesen Wert (weil weniger Reaktionswärme zum Aufheizen des

Kreislaufgases/der Edukte zur Verfügung steht), stoppt die Reaktion und es ist nicht gewährleistet, dass sie bei steigender Menge Einsatzgas wieder einsetzt.

Bei kleinerer Einsatzgas- oder Wasserstoffmenge besteht das Risiko, dass bei geringerer

Umlaufmenge die Reaktion im 1. Bett weiter fortschreitet. Das birgt das Risiko unter dem 1.

Punkt oben, und es wird bereits Einsatzgas verbraucht, das normalerweise erst im 2. Bett reagiert. Das würde das 2. Bett abkühlen lassen. Durch längere Verweilzeit kühlt das Gas auch im zweiten Wärmetauscher unter die Anspringtemperatur für das 3. Bett ab.

Fig. 3 zeigt ein Konzentrations- und Temperaturprofil im Konverter gemäß der vorliegenden

Erfindung. Ziel ist es, das Temperatur- und Konzentrationsprofil von oben auch bei kleinerer

Gasmenge in etwa aufrecht zu halten. Dazu muss in allen Katalysatorbetten die Reaktion aufrechterhalten werden. Dabei soll bei geringerer zur Verfügung stehender H2-Menge die

Menge an die Menge an gebildetem Ammoniak im gleichen Maß gedrosselt werden. Dadurch lässt sich in allen Betten die Reaktion aufrechterhalten. Es ergeben sich durch die längeren

Verweilzeiten in Katalysatorbetten und Wärmetauschern aber Unterschiede: . Die Erhôhung der Temperatur C22 kann vermieden werden, indem der Eintritts-NH3-

Gehalt in den Konverter angehoben wird. Das führt zu einer Verschiebung der Punkte C11-

C12 zu C11‘-C12° in eine Region, in der C12‘ unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur liegt. Dazu muss der NH3-Gehalt für C11° so hoch gewählt werden, dass der Punkt C12, dessen höchste NH3-Konzenztration durch die Linie EQ begrenzt wird, nicht die maximal erlaubte Temperatur überschreitet.

Der hôhere Gehalt an Ammoniak am Konvertereintritt kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Zum einen kann die Kondensationstemperatur des Ammoniaks angehoben werden.

Mit steigender Temperatur steigt der Sättigungspartialdampfdruck des Ammoniaks im

Kreislaufgas an und damit auch die Konzentration des Ammoniaks am Konvertereintritt. Dies kann durch einen höheren Druck in den mit verdampfenden Ammoniak gekühlten Loopchillern in der Abkühleinrichtung 4 eingestellt werden. Die Abkühleinrichtung würde dann in Teillast laufen. Dies hätte jedoch den Nachteil, dass sich das Temperaturniveau in den Loopchillern ändern würde und sich diese großen Stahlmassen der Apparate aufwärmen würden. Stände dann die volle Menge an Synthesegas wieder zur Verfügung, müsste die Abkühleinrichtung 4 diese Apparate erst wieder herunterkühlen. In dieser Zeit würde das Ammoniak bei einer höheren Temperatur abgeschieden werden und die Eintrittskonzentration am Eintritt des

Konverters 3 wäre zu hoch, so dass der Konverter nicht den Umsatz erreichen kann, der für 100 Prozent Leistung der Anlage notwendig wäre.

Dieses Problem lässt sich erfindungsgemäß dadurch umgehen, dass ein Teil des heißen, reagierten Gases um die Abkühleinrichtung 4 durch die Bypassleitung 9 herumgeführt wird.

Der andere Teil des Gases wird in der Abkühleinrichtung auf die unveränderte

Kondensationstemperatur des Ammoniaks abgekühlt. Danach wird es mit dem zweiten

Teilstrom 8 gemischt und der Saugseite 5 der Fördereinrichtung zugeführt.

Das daraus resultierende Konzentrations- und Temperaturprofil im Konverter 3 ist in Fig. 3 dargestellt. Wie in Fig. 3 zu sehen, ergeben sich, aufgrund des hohen Ammoniakgehaltes am

Eintritt des Konverters 3, wesentlich niedrigere Austrittstemperaturen aus den

Katalysatorbetten. Auch wird die Katalysatoranspringtemperatur am Austritt des zweiten

Wärmetauschers nicht unterschritten. Die sich ergebende Kreislaufgasmenge beträgt 50

Prozent der Kreislaufgasmenge bei 100 Prozent Anlagenleistung. Zusammen mit der verringerten Konzentrationserhöhung an Ammoniak im Konverter lässt sich so ein Turn-Down-

Ratio von 25 Prozent darstellen.

Bezugszeichenliste (1) Synthesekreislauf (2) Fördereinrichtung (3) Konverter (4) Abkühleinrichtung (5) Saugseite (6) Druckseite (7) Erster Teilstrom (8) Zweiter Teilstrom (9) Bypassleitung (10) Gas/Gas-Wärmetauscher (11) Wärmetauscher (12) Zweite Bypassleitung (13) Einrichtung zur Dampferzeugung

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ammoniaksynthese in einem Synthesekreislauf (1), wobei ein Gasgemisch aufweisend Stickstoff (N2) Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3) mit einer Fôrdereinrichtung (2), mit einer Saugseite und einer Druckseite, im Synthesekreislauf (1) zyklisch gefördert wird, wobei Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) in einem Konverter (3) zumindest teilweise zu Ammoniak (NH3) umgesetzt werden und wobei das Gasgemisch in einer Abkühleinrichtung (4) derart abgekühlt wird, dass Ammoniak (NH3) aus dem Gasgemisch auskondensiert und wobei die Fördereinrichtung (2) eine Saugseite (5) und eine Druckseite (6) aufweist, wobei Wasserstoff zumindest teilweise durch Elektrolyse bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch in Strömungsrichtung vor der Abkühleinrichtung (4) in einen ersten Teilstrom (7) und einen zweiten Teilstrom (8) aufgeteilt wird, dass der erste Teilstrom (7) durch die Abkühleinrichtung (4) geleitet wird und dass der zweite Teilstrom (8) in einen Bereich in Strömungsrichtung vor der Saugseite (5) der Fördereinrichtung (2) wieder in den Synthesekreislauf (1) eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilstrom (8) vor Einbringung in den Synthesekreislauf (1) abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff mittels Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird.

4. Anlage zur Herstellung von Ammoniak (NH3) in einem Synthesekreislauf (1), mit mindestens einer Fördereinrichtung (2) zum zyklischen Fördern eines Gasgemisches aufweisend Stickstoff (N2), Wasserstoff (N2) und Ammoniak (NH3) mit mindestens einem Konverter (3), wobei Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) im Konverter (3) zumindest teilweise zu Ammoniak (NH3) umsetzbar sind und mit mindestens einer Abkühleinrichtung (4) in der das Gasgemisch derart abkühlbar ist, dass Ammoniak (NH3) aus dem Gasgemisch auskondensiert, wobei die Fördereinrichtung (2) eine Saugseite (5) und eine Druckseite (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (9) vorgesehen ist, dass durch die Bypassleitung (9) das Gasgemisch in einen ersten Teilstrom (7) und einen zweiten Teilstrom (8) aufteilbar ist und dass die Bypassleitung (9) einen Strömungspfad in Strömungsrichtung vor der

Abkühleinrichtung (4) zu einem Bereich in Strômungsrichtung vor der Saugseite (5) der Fördereinrichtung (2) bildet.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) einen Wärmetauscher (11) zum Abkühlen des zweiten Teilstroms (9) aufweist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Bypassleitung (12) zum Umgehen des Wärmetauschers (11) vorgesehen ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (3) ein erstes Katalysatorbett, ein zweites Katalysatorbett oder noch ein drittes Katalysatorbett aufweist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (3) mindestens einen oder mehr radial durchströmbare Wärmetauscher aufweist und dass der erste Wärmetauscher zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett angeordnet ist und dass der zweite Wärmetauscher zwischen dem zweiten und dem dritten Katalysatorbett angeordnet ist.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung nach dem Konverter (3) eine Einrichtung zur Dampferzeugung (13) vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Nachrüsten einer Anlage zur Herstellung von Ammoniak, mit mindestens einer Fördereinrichtung (2) zum zyklischen Fördern eines Gasgemisches aufweisend Stickstoff (N2), Wasserstoff (N2) und Ammoniak (NH3) mit mindestens einem Konverter (3), wobei Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) im Konverter (3) zumindest teilweise zu Ammoniak (NH3) umsetzbar sind und mit mindestens einer Abkühleinrichtung (4) in der das Gasgemisch derart abkühlbar ist, dass Ammoniak (NH3) aus dem Gasgemisch auskondensiert, wobei die Fördereinrichtung (2) eine Saugseite (5) und eine Druckseite (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachrüsten eine Bypassleitung (9) eingebracht wird ist, dass durch die Bypassleitung (9) das Gasgemisch in einen ersten Teilstrom (7) und einen zweiten Teilstrom (8) aufteilbar ist und dass die Bypassleitung (9) einen Strömungspfad in Strömungsrichtung vor der Abkühleinrichtung (4) zu einem Bereich in Strömungsrichtung vor der Saugseite (5) der Fördereinrichtung (2) bildet.