CN102300812B - 用于合成氨的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有至少一个第一反应器(1)且用于由含有N2和H2的合成气合成氨的设备。所述的设备在此包括第一非冷却催化剂床单元(2)，至少一个热交换装置(3，31)和至少两个冷却催化剂床单元(4，41，42)。每个冷却催化剂床单元(4，41，42)配备了多个冷却管(5)。所述的设备还包括具有至少一个输入装置(61)和至少一个输出装置(62)的循环管线(6)，其中所述的循环管线(6)具有从输入装置(61)开始，依次顺流而下设置的多个冷却管(5)、第一非冷却催化剂床单元(2)、至少一个热交换设备(3，31)和至少两个冷却催化剂床单元(4，41，42)直至输出装置(62)。此处，所述的循环管线(6)具有至少一个旁路管线(7)，其设置于输入装置(61)和第一非冷却催化剂床单元(2)之间，与经过至少两个冷却催化剂床单元(4，41，42)的多个冷却管(5)平行。此外，本发明还提供一种用于由含有N2和H2的合成气合成氨的方法。

Description

用于合成氨的设备和方法
本发明涉及用于由含有氮气和氢气的合成气合成氨的方法和设备。
技术领域
依据Haber-Bosch方法由氮气和氢气合成氨通常于铁氧化物混合催化剂在约150至300巴压力和350至530℃的温度范围下进行。所述氨的年产量目前约为1.25亿吨，其生产约占世界能源消耗的3％。在工业反应条件下氨的出口浓度往往只有13-20％。从理论上说，在200大气压和400℃及无惰性气体的合成气的反应条件下，根据尼尔森的平衡浓度为38.82％。如果通过使用活性催化剂可以降低反应的温度，则平衡浓度和因此理论上可以实现的浓度得以提高。
EP 13 857 85描述了在颗粒催化剂上生产氨的方法，其中将氮和氢组成的未反应的合成气引经第一非冷却催化剂床并随后作为部分反应的合成气引经热交换器。然后，将所述部分反应的合成气引经至少两个其他的冷却催化剂床。在此，以未反应的合成气在输入第一非冷却催化剂床前引经设置于冷却催化剂床内的冷却管的方式，进行冷却。在此，使得未反应的合成气首先流经最后一个催化剂床的冷却管，然后流经倒数第二个。用该方法，通过在冷却催化剂床中提供与最佳温度曲线相似的温度曲线的方式，在150巴的压力下产物气体中的氨浓度可以达到29.5体积％。
在DE 603 04 257 T2中公开了用于合成氨的方法，其中使所述合成气与一种或多种催化剂相接触，其中至少一种于第二基底上涂覆有涂覆了钌的氮化物。该方法适用于大容量和高压力的设备，且降低单位能耗。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务在于，提供用于合成氨的改进的设备和改进的方法。这任务通过具有独立权利要求1的特征的设备以及通过具有独立权利要求10的特征的方法来解决。进一步的改进方案在从属权利要求中列出。
根据第一实施方案，根据本发明用于由含有氮气(N2)和氢气(H2)的合成气合成氨的设备包括反应器，其包含第一非冷却催化剂床单元以及至少一个热交换装置。此外其中含有两个冷却催化剂床单元。冷却面积由多个冷却管构成，其在以下也被称为“冷却单元”。冷却催化剂床单元配备了这种冷却单元。循环管线从一个或多个合成气的输入装置开始首先进入这种冷却单元并且延续到第一非冷却催化剂床，随后到热交换装置。从此处循环管线由至少两个冷却催化剂床单元延伸至一个或多个输出装置(如果设计有多个)，在其中氨(NH3)通过冷凝从产物气体中分离出来。
来自产物气体的未反应的氮气和氢气回输至循环管线中，并且将新鲜的氮气和氢气混入合成气中。为了调节冷却催化剂床单元内的冷却单元或者多个冷却管的冷却效率，根据本发明，平行于冷却单元设置了至少一个旁路管线，其在输入装置之后从循环管线分支出来，并且在第一非冷却催化剂床单元之前再次与循环管线合并。
此外，在一个实施方案中设计为，分别提供具有冷却催化剂床单元的冷却面积的冷却单元的冷却管，分别在冷却管的输出端具有出口收集装置，其中收集了合成气并且继续引至下一个冷却单元或至第一非冷却催化剂床单元。每个这种出口收集装置可以分别与旁路管线连接。因此有利的可能是，视催化剂种类和催化剂活性而定，以可以经由旁路调节来改变冷却单元的冷却效率的方式，使之适应对于氨合成最佳的每个冷却催化剂床单元的温度分布。用于合成氨的常规设备各是只为具有特定活性的催化剂设计的：使用具有更高活性的催化剂是不可能的，因为用现有的冷却面积不能达到为此所必需的冷却效率。反之，如果催化剂的活性在使用寿命期内降低，冷却效率会太高并且催化剂床将被过于强烈地冷却。这可以通过使用旁路管线来避免，其允许冷却效率的变化，通过不将作为冷却剂起作用的合成气的一部分引经多个冷却管，而是引经旁路管线的方式。
控制装置负责来自输入装置的合成气在旁路管线和多个冷却管之间的分配，通过分配装置来调节合成气输入。在此有利的是，所述控制装置与用于获取工艺参数的传感器耦合，使得分配装置依赖于工艺参数进行调节。如果这种参数是冷却催化剂床单元的出口温度，有利的可能是，将每个冷却催化剂床单元的温度分布调整成对于氨合成最佳的温度分布。这使得催化剂能力的有效利用成为可能，由此最终可以节约能量。
在根据本发明的设备的一个有利的实施方案中，提供通过循环管线的合成气的流体路径，所述循环管线其从输入装置开始，首先经过顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元的多个冷却管，然后经过各自紧接着的逆流而上设置的催化剂床单元的多个冷却管。
此外还设计为，所述第一非冷却催化剂床单元可以是置于第一反应器内的、第一非冷却催化剂床。为此可代替的是，所述第一非冷却催化剂床单元可以设置于另一个反应器中，该反应器包括至少一个第一非冷却催化剂床。其可以是一种常规的、现有的反应器，其具有多个非冷却催化剂床，其间可以设置间接冷却。用这类常规的反应器只能达到约20体积％的氨出口浓度。为了提高产率，根据本发明这种形成第一非冷却催化剂床单元的现有的反应器(“第二反应器”)，可以后串联至少两个设置于“第一”反应器中的冷却催化剂床单元。
此外，在一个实施方案中设计为，所述至少一个热交换装置是第一冷却催化剂床单元，其因此同时用作热交换器和反应场所，或者所述至少一个热交换装置是热交换器，其可以设置于第一反应器的内部或外部。还可以考虑的是，另一个反应器设计成热交换装置，如果这样，第一非冷却催化剂床单元是设置于第一反应器内的催化剂床，是本设备的第二反应器。如果如上文所述，其是设置于第二反应器内的非冷却催化剂床单元，所述的热交换反应器构成第三反应器。此处该额外的反应器可以是冷却的、用催化剂填充的管式反应器。
在另一个根据本发明的设备的实施方案中，在循环管线顺流看去的最后一个冷却催化剂床单元至少包括具有活性的催化剂，所述活性是常规的铁催化剂活性的至少双倍，优选五倍及最优选超过七倍。这种催化剂可以是钡活化的钌催化剂。
冷却催化剂床单元的数量为两个或更多的冷却催化剂床单元，并且可以通过专业人士在合成设备的设计时确定。特别是冷却催化剂床单元的数量可以为直至四个，但是优选三个冷却催化剂床单元。
本发明的另一个实施方案涉及用于由含有氮气和氢气的合成气在根据本发明的设备中合成氨的方法，该设备包括至少一个具有冷却催化剂床的反应器。此处，首先进行氮气和氢气作为合成气通过输入装置输入循环管线中。将所述合成气引经冷却单元或者引经冷却催化剂床单元的多个冷却管，在此合成气的温度升高。将所述经加热的合成气引入非冷却催化剂床单元，在这里部分反应生成氨，从而产生含有第一出口浓度的氨的部分反应的合成气。这种第一出口浓度可以相当于5-25％的体积份额。然后，使温度继续上升的部分反应的合成气在所述至少一个热交换装置中冷却。现在，将所述部分反应的合成气引入冷却催化剂床单元，其中氮气和氢气继续反应成氨并且由此形成含有第二出口浓度的氨的产物气体。这种产物气体的出口浓度可以在使用高活性的催化剂如钌催化剂时在100巴达到超过30体积％。为了实现特别是直至40体积％的氨出口浓度，压力提高可能是必要的。
最后，为了将氨分离，由输出装置引出产物气体。来自产物气体的未反应的氮气和氢气回输至输入装置前，与未循环的新鲜氮气和氢气混合并作为合成气提供到循环管线内。
为了调节冷却催化剂床单元内的温度分布，可以将部分合成气引经所述至少一个旁路管线，其与将剩余部分的合成气引经冷却单元平行进行。通过至少一个控制装置调控的分配装置用于分配旁路管线和冷却单元内的合成气流。有利的是，控制装置被设计成调节装置，其经由可操作性耦合的传感器获取至少一种工艺参数，其优选分别为冷却催化剂床单元的温度。因此所述控制装置调节引入旁路管线内的合成气的份额。由此可能的是，使得冷却催化剂床内的温度分布分别适应于就氨合成而言对于相应的压力和所使用的催化剂优化了的温度分布。此外，所述的冷却效率可以在催化剂的使用寿命期内适应于其不断降低的活性，以致于在催化剂活性降低时，冷却效率或通过冷却单元的合成气的份额也可以降低，从而使得反应速度不会大幅降低或者甚至反应完全停顿。
此外，在反应器的新设计时可以考虑，超尺寸地确定冷却催化剂床单元冷却面积，使得可能的是，将来在这种反应器中使用具有还高得多的活性的催化剂。对于现有可以使用的催化剂，冷却效率可以经由旁路管线调节，从而为相应的催化剂构建最佳的温度分布。这有助于氨生产工艺的优化，使得可以在用较少量的催化剂的条件下即可达到较高的产率。如果可以产生足够的合成气，则同时可以增加氨的日产量。
所述根据本发明的方法可以在介于30和300巴的压力范围以及介于100和600℃的温度范围内进行。优选压力范围介于100和250巴。合成气的温度在引入第一非冷却催化剂床单元前应该介于150和500℃之间。
在一个根据本发明的方法的实施方案中，所述合成气以与引入催化剂床单元的部分反应的合成气顺流(Gleichstrom)的方式引经冷却单元。可代替的是，合成气可以与引入冷却催化剂床单元的部分反应的合成气逆流的方式引入冷却单元中。在一个实施方案中可能特别有利的是，所述合成气可以与引入冷却催化剂床单元的部分反应的合成气顺流和逆流组合的方式引经冷却单元，其中特别优选的是，合成气以与输送过第一催化剂床单元的部分反应的合成气逆流地输送过第一催化剂床单元的冷却单元，而合成气以与输送过其余催化剂床单元的部分反应的合成气逆流地输送过其余催化剂床单元的冷却单元。
此处在本方法的实施方案中，所述合成气首先可以引经顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元的冷却单元，并因此分别引经各自紧接着的逆流而上设置的催化剂床单元的冷却单元。
此外有利的实施方案体现在，通过将部分反应的合成气的引入热交换装置并使之冷却产生具有50至140巴压力的高压蒸汽。
最后根据本发明的方法设计为，部分反应的合成气的反应至少在顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元中在催化剂上进行，催化剂的活性至少为常规的铁催化剂活性的双倍，优选五倍和最优选超过七倍。这种高活性催化剂可以例如是钡活化的钌催化剂。
图示的简要说明
其他的实施例，以及一些与这个和其他的实施例相关的优点，将通过以下的详细描述阐明并更易理解。在此，所涉及的描述中的图示也是有帮助的。对象或其本质上相同或十分相似的部分，可以设为相同的附图标记。
图1显示了在具有三个冷却和一个非冷却催化剂床的反应器中，根据本发明的用于合成氨的设备示意图，
图2显示了具有常规组成的氨反应器的本发明实施方案的草图，其后串联了根据本发明的具有两个冷却催化剂床单元的“第一”反应器，
图3显示了根据本发明的操作方案(表1的方案3)在非冷却催化剂床中的温度曲线和反应速度的线图，
图4显示了根据本发明的操作方案(表1的方案3)在第一冷却催化剂床中的温度曲线和反应速度的线图，
图5显示了根据本发明的操作方案(表1的方案3)在第二冷却催化剂床中的温度曲线和反应速度的线图，
图6显示了根据本发明的操作方案(表1的方案3)在第三冷却催化剂床中的温度曲线和反应速度的线图，
根据本发明用于由含有氮气N2和氢气H2的合成气合成氨的方法可以在由至少一个第一反应器组成的设备中进行。在此，所述设备包括第一非冷却催化剂床单元，至少一个热交换装置以及至少两个冷却催化剂床单元。催化剂床单元的冷却利用多个冷却管进行，它们分别设置于一个催化剂床单元中，并在以下也称为“冷却单元”。所述的合成气由输入装置出发，引入循环管线中，并首先流经属于冷却催化剂床单元的冷却单元，由此合成气吸收热量。然后经加热的合成气流经第一非冷却催化剂床单元，其中发生氮气和氢气生成氨的部分反应。现在具有第一出口浓度的部分反应的合成气具有明显升高的温度，为了冷却部分反应的合成气，将其引经热量交换装置。从这里，部分反应的合成气到达冷却催化剂床单元，在其中氮气和氢气继续反应成氨，直至第二氨出口浓度。由此产生的产物气体引至输出装置，在这里，氨从产物气体中冷凝并脱除出来，而未反应的氮气和氢气与新鲜的氮气和氢气一起作为合成气通过输入装置供入循环管线中。
现在为了优化在用于氨合成的相应冷却催化剂床中的温度分布，所述循环管线具有至少一个旁路管线，其设置于输入装置和第一非冷却催化剂床单元之间，与经过至少两个冷却催化剂床单元的冷却单元平行。此处，可以设计多个旁路管线，使得旁路管线各自汇入非冷却催化剂床的冷却单元的出口收集装置，或者旁路管线直接由输入装置延伸至第一非冷却催化剂床单元。引经旁路管线的合成气的一部分或者引经多个旁路管线的合成气的多个部分，将通过控制装置确定，其与旁路管线的分配装置及多个冷却管可操作性地连接。此处，所述的控制装置可以是可调控的控制装置，其根据获取的工艺参数调节引入旁路管线内的合成气的份额。所述的工艺参数经由传感器测量，其与可调控的控制装置可操作性地耦合。这种工艺参数可以是相应的冷却催化剂床的温度，从而其温度将通过适应于冷却效率来进行优化，这取决于，合成气的哪一部分流经冷却单元及哪一部分引经旁路管线。
所述合成气将从多个冷却管和旁路管线引入非冷却催化剂床单元，其可以是在第一反应器中的非冷却催化剂床；可替代地其可能是，包括至少一个第一非冷却催化剂床的现有的反应器，视为非冷却催化剂床单元。为了冷却从非冷却催化剂床单元离开后的部分反应的合成气，将其引入热交换装置，该热交换装置可以是至少两个冷却催化剂床单元的第一个，其中同时发生进一步的反应。可替代的是，热交换装置还可以是其他反应器，其优选是冷却的、用催化剂填充了的管式反应器，以此冷却所述部分反应的合成气并使其进一步反应。当然还可以考虑的是，无反应的热交换装置，其中这类热交换器包括在第一反应器内或者可以是设置于第一反应器外部的。
现在将所述冷却的、部分反应的合成气引到冷却催化剂床单元，其数量直至四个，但是优选包括三个催化剂床单元。优选至少顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床可以具有催化剂，其活性至少是常规铁催化剂活性的双倍，优选五倍和最优选超过七倍。这种高活性的催化剂例如是钡活化的钌催化剂。在至少两个冷却催化剂床单元里反应后，含有第二出口浓度的氨的产物气体离开反应器，引到输出装置，在这里进行氨的分离。
冷却催化剂床单元里温度的进一步优化可以通过经过冷却单元的合成气及冷却催化剂床单元里的部分反应的合成气的顺流和逆流的组合来进行。特别是在较高的压力时有意义的是，在第一冷却催化剂床里以逆流进行冷却，因为此处反应速度仍然很高，以致于在以顺流冷却时不能达到使反应气体的温度接近最佳温度曲线。其以下的催化剂床将以顺流冷却，使得这里也可以达到最佳的温度曲线，并且在相应的冷却催化剂床单元末端的温度不显著下降，使得反应可能陷于停顿。这也表明有利的是，所述的合成气作为冷却气体首先引经顺流看去的最后一个冷却催化剂床单元的多个冷却管，然后分别流经紧接着的逆流而上设置的催化剂床单元。
此处用这种根据本发明的设备和方法，在第一非冷却催化剂床后部分反应的合成气的第一氨出口浓度相当于5至25％的体积份额，而产物气体在离开最后一个冷却催化剂床时的第二氨出口浓度为超过30％的体积份额，特别是直至40％。
图1显示根据本发明的设备，在其中实施由氮气和氢气合成氨的方法。输入装置61为循环管线6供给含有氮气和氢气的合成气。一般来说，可以在循环管线6内在输入装置61和未反应的合成气的回输装置之后设置在图1中未显示的外部热交换器，其预热循环气体包括新鲜的合成气。这种外部热交换器通常具有与其相关的旁路管线(同样未显示)，其被用来如此调节反应器1中的合成气的入口温度，使得在进入第一非冷却催化剂床2时可以达到期望的温度。
所述循环管线6进入反应器1并以顺流首先输送过最后一个冷却催化剂床4的冷却管5。冷却管5的出口装置10可以作为出料收集器或者作为出料室构建，第一旁路管线7也汇入其中。不引经最后一个催化剂床4的冷却管5的合成气的份额，经由与传感器11相连的分配装置8调节，该传感器获取来自冷却催化剂床4的产物气体的出口温度。来自冷却管5或旁路管线7的未反应的合成气将引入逆流而上设置的紧接的催化剂床41的冷却管5并且以顺流输送。在第二催化剂床41的冷却管5的出口装置10内同样汇入了第二旁路管线7，其中在出口装置10内还对旁路管线7或者冷却管5内的合成气部分进行温度控制。合成气由第二催化剂床41的冷却管5和旁路管线7的出口装置10引入第一冷却催化剂床42的冷却管5并在此处以逆流引导。在出口装置10处，来自第一冷却催化剂床42的冷却管5和旁路管线7的合成气部分还可以依赖于通过传感器11获取的温度由控制装置9调节。未反应的合成气由第一非冷却催化剂床单元42的冷却管5的出口装置10引至第一非冷却催化剂床2。氮气和氢气在这里反应生成直至第一出口浓度的氨。现在，部分反应的合成气从第一非冷却催化剂床导入热交换装置3，以便在那里在产生蒸汽的情况下冷却。部分反应的合成气由蒸汽发生器3出来输入第一冷却催化剂床42。在离开第一冷却催化剂床42后，部分反应的合成气的温度经由传感器11获取并经由控制单元9通过旁路管线7调节冷合成气的份额，以获得最佳的出口温度。部分反应的合成气接着流过第二冷却催化剂床单元41，在其中通过冷却管5以顺流进行冷却。这里，对作为冷却气体起作用的合成气的部分进行温控调节。最后，部分反应的合成气同样以顺流引经最后一个冷却催化剂床单元4，从而产生具有第二出口浓度的氨的产物气体。所述产物气体从最后一个冷却催化剂床单元4引出至输出装置62，以便使氨冷凝并分离出来。
图2以图解描述了，依据现有技术构建的、现有的反应器21，其串联了具有两个冷却催化剂床4，41的反应器1。所述依据现有技术的反应器21包含三个非冷却催化剂床2，其分别串联了一个间接冷却3。从合成气输入管线61起，旁路管线7平行于循环管线6(类似图1)输送到冷却催化剂床4，41的多个冷却管5的出口收集器。如图2中所示，旁路管线7可以延伸至现有反应器21的入口。未流经旁路管线7，而是取道循环管线6的合成气部分首先以顺流引经串联的反应器1的最后一个冷却催化剂床4的冷却管5。来自第一旁路管线7的第一合成气部分与来自循环管线6的合成气部分合并于冷却管5的出口收集器。这在合成气流经第一冷却催化剂床41的多个冷却管5时重复，旁路管线7汇入所述多个冷却管的出口收集器。所述合成气同样以顺流流经第一冷却催化剂床41的多个冷却管5。从此处出发，在经加热的合成气(与导入现有反应器21的入口的第三旁路管线7的合成气部分一起)引入第三非冷却催化剂床2之前，将所述的合成气引经现有反应器21的间接冷却设备3，以便在此处反应成为第一出口浓度的氨。以第一出口浓度离开现有反应器21的部分反应的合成气进入串联的反应器1，并且经过第二冷却催化剂床41和4。离开串联的反应器1的、具有第二出口浓度的氨的产物气体引到用于将氨冷凝并分离出来(未显示)的设备，未反应的氢气和氮气从这里回输至循环管线6中。
实施例1
第一个计算实施例涉及在200巴的压力下以26,153kmol/h合成气入口量的方法。所述的反应器具有非冷却催化剂床、外部废热锅炉和三个冷却催化剂床。不同的操作方案示于以下的表1中。其中显示了冷却催化剂床的物流输送、催化剂类型及存在的旁路。除了催化剂体积，氨的日产量也作为结果给出。第3至5种方案此处相应的反应器构型如在图1中以三个旁路及第一冷却催化剂床的逆流输送所示的。
由方案1和方案2之间的比较(其中一次第一冷却催化剂床以顺流方式和一次以逆流方式)可见，氨产量在逆流冷却的第一催化剂床的情况下略有增加。在旁路整合在反应器构造中时，冷却面积增大，使得催化剂体积减少，但是由此变得可能的是，使用具有比常规铁催化剂更高活性的催化剂。利用旁路设置和新鲜的铁催化剂将达到约相当于用以顺流的第一冷却催化剂床和无旁路的方案1的氨日产量。如果铁催化剂老化，如方案4中所示，产量则显著降低。如果使用具有明显更高活性的催化剂，例如改进的铁催化剂，如在方案5中，可实现明显更高的氨日产量。
图3显示了根据表1中的方案3对于图1的非冷却催化剂床2的温度分布(▲)和反应速度(●)。此外，图3中还显示了在200巴的最佳温度曲线(◆)及平衡曲线(■)。随着氨浓度的增高，首先反应速度减慢，如在曲线的左侧区域可见。当温度接近最佳温度曲线时，反应速度开始升高并在氨摩尔份额约为0.09时达到最大值。此反应速度的最大值将在温度曲线与最佳温度分布曲线交叉(约在氨摩尔份额为0.11时)前达到，因为此处氨浓度的影响重新占主导地位并且因此反应速度再次降低，如从曲线的右侧区域可见。当超过最佳温度曲线并接近平衡曲线时，反应速度迅速降低。
图4中显示了根据表1的方案3的第一冷却催化剂床42的温度分布(▲)和反应速度(●)。在左侧区域，由于温度(▲)接近最佳温度曲线(◆)反应速度首先是恒定的，但是然后随着氨浓度的增高开始降低。当温度超过最佳温度曲线(当前氨摩尔份额约为0.17)时，反应速度的下降变得更迅速。温度的进一步升高将通过逆流冷却中止(图4另外显示了冷却剂温度(+)的分布)使得温度在第一冷却催化剂床42内没有进一步接近平衡曲线(■)，而是又降至最佳温度曲线。
图5和图6显示了根据表1的方案3的第二冷却催化剂床41和最后一个冷却催化剂床4的温度分布(▲)和反应速度(●)。通过根据本发明的设备或方法，现在此处温度的有利分布实际上沿着最佳温度曲线(◆)实现，使得不发生温度接近平衡曲线(■)并且反应速度的下降仅是由于氨浓度的增高。此外，在图5和图6中显示了以顺流冷却的第二催化剂床41和最后一个催化剂床4的冷却剂温度(+)。
表2描述了根据方案3的反应器中的温度分布及合成气的量和组成。用这些由非冷却催化剂床、外部废热锅炉和三个具有铁催化剂的冷却催化剂床组成的反应器方案，将达到28.6体积％的氨出口浓度，其中所述的第一冷却催化剂床以顺流运行，且其具有三个旁路。
实施例2
所述的第二个计算实施例涉及具有非冷却催化剂床、外部废热锅炉和三个冷却催化剂床的反应器。在前两个冷却催化剂床中使用常规的铁催化剂，在最后一个冷却催化剂床使用高活性的钌催化剂。这三个冷却床以顺流运行。催化剂体积为218m3的铁催化剂和70m3的钌催化剂。这样在合成气量为24,533 kmol/h时，得到2,000吨的氨日产量。此实施例在约100巴的压力下进行。在应用钌催化剂时，氨出口浓度可以达到30.5体积％(对比表3)。
实施例3
计算实施例3涉及的反应器配置如图2中所示。所述的配置由具有三个非冷却床的反应器以及三个内部的间接热交换器和具有两个冷却催化剂床的第二反应器组成。所述铁催化剂的催化剂体积为46m3。当入口气体量为10,804 kmol/h时，实现每天859吨的氨产量。来自常规的反应器的第一出口浓度为21.6体积％，其中通过后串联具有两个冷却催化剂床的第二催化器，在产物气体中氨的出口浓度提高至27.4体积％。此外由表4可见温度分布及压力范围。

Claims (22)

1.用于由含有N2和H2的合成气合成氨的设备，其具有至少一个第一反应器(1)，其中所述的设备包括：
-第一非冷却催化剂床单元(2)，
-至少一个热交换装置(3)，
-至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)，其中每个冷却催化剂床单元(4,41,42)配备了多个冷却管(5)，及
-具有至少一个输入装置(61)和至少一个输出装置(62)的循环管线(6)，其中所述的循环管线(6)具有由输入装置(61)开始，依次顺流而下设置的多个冷却管(5)、第一非冷却催化剂床单元(2)、所述至少一个热交换装置(3)和所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)直至输出装置(62)，其中每个冷却催化剂床单元(4,41,42)的多个冷却管(5)在冷却管的输出端分别与出口收集装置(10)连接，并且其中
所述的循环管线(6)对于每个冷却催化剂床单元(4,41,42)而言各具有至少一个旁路管线(7)，其分别设置于输入装置(61)和每个冷却催化剂床单元(4,41,42)的多个冷却管(5)的出口收集装置(10)之间，其中循环管线(6)具有至少一个控制装置，其与至少一个用于至少一个旁路管线(7)和多个冷却管(5)的分配装置(8)可操作性地连接，其中所述的控制装置为调节装置(9)并且与用于获取冷却催化剂床单元的出口温度以调节分配装置(8)的传感器(11)可操作性地耦合，以可以经由旁路调节来改变冷却单元的冷却效率。
2.根据权利要求1的设备，其中合成气的流体路径由循环管线(6)提供，其由输入装置(61)开始，依次首先引经顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元(4)的多个冷却管(5)，然后输送过各自紧接着的逆流而上设置的催化剂床单元(41,42)的多个冷却管(5)。
3.根据权利要求1或2的设备，其中第一非冷却催化剂床单元(2)
-是设置于第一反应器(1)内的、第一非冷却催化剂床(2)或者
-包括至少一个第一非冷却催化剂床(2)的第二反应器(21)。
4.根据权利要求1的设备，其中所述至少一个热交换装置(3)
-对于下述情况是第三反应器，所述第一非冷却催化剂床单元(2)是包括至少一个第一非冷却催化剂床(2)的第二反应器，或者
-是热交换器(3)，其包括于第一反应器(1)中或者置于第一反应器(1)外部。
5.根据权利要求4的设备，其中第二或者第三反应器是冷却的、用催化剂填充的管式反应器。
6.根据权利要求1的设备，其中所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)的至少一个顺流而下的最后一个冷却催化剂床单元(4)包括具有活性的催化剂，所述活性至少为常规铁催化剂活性的双倍。
7.根据权利要求6的设备，其中所述催化剂的活性为常规铁催化剂活性的超过五倍。
8.根据权利要求6的设备，其中所述催化剂的活性为常规铁催化剂活性的超过七倍。
9.根据权利要求1的设备，其中冷却催化剂床单元(4,41,42)的数量包括最多四个催化剂床单元。
10.根据权利要求9，其中冷却催化剂床单元(4,41,42)的数量包括三个催化剂床单元。
11.在具有至少一个根据权利要求1的第一反应器的设备中用于由含有N2和H2的合成气合成氨的方法，包括以下步骤：
-通过输入装置(61)向循环管线(6)中输入含有N2和H2的合成气，
-将合成气引经多个冷却管(5)，
-将合成气引入第一非冷却催化剂床单元(2)中并使之反应，形成部分反应的合成气，其含有第一出口浓度的氨，
-将部分反应的合成气引入所述至少一个热交换装置(3)中并使之冷却，
-将部分反应的合成气引入所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)中并使之反应，形成产物气体，其含有第二出口浓度的氨，
-为了分离氨，由输出装置(62)引出产物气体，
-回输来自产物气体的未反应的N2和H2至输入装置(61)前，并且在循环管线(6)中提供来自产物气体的未反应的N2和H2和未循环的新鲜N2和H2作为合成气，同时
-调节冷却催化剂床单元(4,41,42)内的温度分布，这由此进行：将部分合成气分别引经与每个冷却催化剂床单元(4,41,42)相关的各自汇入非冷却催化剂床的冷却单元的出口收集装置(10)的旁路管线(7)，其与将剩余部分的合成气引经冷却催化剂床单元(4,41,42)的所述多个冷却管(5)平行进行，其中至少一个被设计成调节装置的控制装置经由可操作性耦合的传感器(11)获取分别为所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)的温度的至少一种，并通过调控至少一个分配装置(8)调节引入旁路管线(7)中的合成气的份额。
12.根据权利要求11的方法，其中所述的方法在介于30和300巴范围内的压力和介于100和600℃范围内的温度下进行。
13.根据权利要求11或12的方法，其中在引入第一非冷却催化剂床单元(2)之前合成气的温度介于150和500℃之间。
14.根据权利要求11的方法，其中将合成气引经所述多个冷却管(5)并且将所述部分反应的合成气引入所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)中并使之反应
-以顺流，
-以逆流，或者
-以顺流和逆流组合进行。
15.根据权利要求14的方法，其中将合成气引经所述多个冷却管(5)并且将所述部分反应的合成气引入所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)中并使之反应
－在第一冷却催化剂床单元(42)的多个冷却管(5)中以逆流进行，而在其余的催化剂床单元(4,41)的多个冷却管(5)中以顺流进行。
16.根据权利要求11的方法，其中将合成气引经所述至少两个冷却催化剂床单元(4,41,42)的所述多个冷却管(5)，包括：
-将合成气首先引经顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元(4)的所述多个冷却管(5)，然后
-将合成气引经各自紧接的逆流而上设置的催化剂床单元(41,42)的所述多个冷却管(5)。
17.根据权利要求11的方法，其中所述部分反应的合成气的引导和冷却产生具有50至140巴压力的高压蒸汽。
18.根据权利要求11的方法，其中使得部分反应的合成气的反应至少在顺流而下设置的最后一个冷却催化剂床单元(4)中在具有下列活性的催化剂上进行，所述活性至少为常规铁催化剂的双倍。
19.根据权利要求18的方法，其中所述催化剂的活性为常规铁催化剂活性的超过五倍。
20.根据权利要求18的方法，其中所述催化剂的活性为常规铁催化剂活性的超过七倍。
21.根据权利要求11的方法，其中所述部分反应的合成气的第一氨出口浓度相当于5-25％的体积份额，并且其中产物气体的第二氨出口浓度得到超过30％的体积份额。
22.根据权利要求21的方法，其中产物气体的第二氨出口浓度得到直至40％的体积份额。
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