DE102015208128A1

DE102015208128A1 - Asymmetrische Kreislaufkaskaden in der Gaskatalyse

Info

Publication number: DE102015208128A1
Application number: DE102015208128.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Wyschofsky
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-11-03
Also published as: WO2016174126A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Produktes aus Synthesegas, welches neben den Reaktanden ggf. auch inerte Komponenten enthält, durch heterogene Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz, mit Hilfe von mehreren nacheinander geschalteten Kreislaufsystemen, in denen jeweils folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: (a) Synthese von Produkt, (b) Abtrennung von Produkt, (c) Aufteilung des Restgases in einen Ausschleusungsteilstrom und einen Rückführteilstrom, (d) wobei der Ausschleusungsteilstrom aus dem Kreislaufsystem ausgeschleust wird, und (e) der Rückführteilstrom zur Synthese desselben Kreislaufsystems und/oder zu einer Synthese eines vorgeschalteten Kreislaufsystems zurückgeführt wird. Die Synthese von Produkt erfolgt dabei in allen Kreislaufsystemen bei im Wesentlichen gleichem Druck. Der aus dem ersten Kreislaufsystem ausgeschleuste Ausschleusungsteilstrom wird dem nachfolgenden zweiten Kreislaufsystem zugeführt, so dass zumindest ein Teil des Gasgemisches, welches das zweite Kreislaufsystem durchströmt, zuvor das erste Kreislaufsystem durchströmt hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Produktes aus Synthesegas, welches neben den Reaktanden ggf. auch inerte Komponenten enthält, durch heterogene Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz, mit Hilfe von mehreren nacheinander geschalteten Kreislaufsystemen, in denen jeweils folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: (a) Synthese von Produkt, (b) Abtrennung von Produkt, (c) Aufteilung des Restgases in einen Ausschleusungsteilstrom und einen Rückführteilstrom, (d) wobei der Ausschleusungsteilstrom aus dem Kreislaufsystem ausgeschleust wird, und (e) der Rückführteilstrom zur Synthese desselben Kreislaufsystems und/oder zu einer Synthese eines vorgeschalteten Kreislaufsystems zurückgeführt wird. Die Synthese von Produkt erfolgt dabei in allen Kreislaufsystemen bei im Wesentlichen gleichem Druck. Der aus dem ersten Kreislaufsystem ausgeschleuste Ausschleusungsteilstrom wird dem nachfolgenden zweiten Kreislaufsystem zugeführt, so dass zumindest ein Teil des Gasgemisches, welches das zweite Kreislaufsystem durchströmt, zuvor das erste Kreislaufsystem durchströmt hat. Erfolgt die Herstellung des Produkts mit Hilfe von mindestens drei nacheinander geschalteten Kreislaufsystemen, so wird entsprechend der aus dem zweiten Kreislaufsystem ausgeschleuste Ausschleusungsteilstrom dem nachfolgenden dritten Kreislaufsystem zugeführt, so dass zumindest ein Teil des Gasgemisches, welches das dritte Kreislaufsystem durchströmt, zuvor sowohl das erste als auch das zweite Kreislaufsystem durchströmt hat.
Eine Reihe von Produkten der Grundstoffindustrie, wie z.B. Ammoniak (NH₃) oder Methanol (MeOH), werden in großtechnischen Gaskatalysen unter Einsatz von Schüttgutkatalysatoren synthetisiert. Die Synthesen verlaufen in der Regel bei Volumenabnahme unter sehr hohen Arbeitsdrücken und bei höheren Arbeitstemperaturen.
Großsynthesen der industriellen Praxis, die üblicherweise als Kreislaufsynthesen ausgeführt werden, sind in den letzten Jahren an die Baugrenze für einsträngige Anlagen gestoßen. Geht man zum Beispiel bei der Ammoniak-Synthese von einem maximal zulässigen Arbeitsdruck von ca. 230 bar und einer maximal zulässigen Arbeitstemperatur von ca. 400°C aus, so sind wirtschaftliche Baugrenzen für Druckbehälter, Rohrleitungen und Armaturen absehbar. Will man die Kapazität einer einsträngigen Anlage in diesem Bereich weiter erhöhen, so werden technologische Veränderungen notwendig.
Es wurden bisher verschiedene Lösungen zur Erhöhung der Kapazität bestehender Anlagen vorgeschlagen.
DD 225 029 betrifft ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus inertenhaltigem Synthesegas, welches durch die Verwendung von zwei Reaktionssystemen gekennzeichnet ist. Im ersten Reaktionssystem wird nur frisches Synthesegas unter den dabei vorliegenden Reaktionsbedingungen umgesetzt. Das nicht umgesetzte frische Synthesegas wird gemeinsam mit dem Gas eines Synthesekreislaufes zum zweiten Reaktionssystem geführt, wo die weitere Umsetzung zu Ammoniak erfolgt. Bei diesem Verfahren wird also ein Once-Through-Reaktor vor die Kreislaufsynthese in der höchsten Druckstufe geschaltet.
EP 1 339 641 schlägt eine Reihenschaltung mindestens zweier Synthesen vor, die in unterschiedlichen Verdichterstufen kombiniert werden. Die erste Synthese auf der unteren Druckstufe wird bevorzugt als Once-Through-Vorreaktor ausgeführt.
Um die Synthese zu intensivieren und dadurch die Kapazität bestehender Anlagen zu erhöhen, wurde ferner die weitgehende Entfernung der inerten Komponenten (insbesondere Argon und Methan) aus dem Frischgas durch Tieftemperatur-Flüssig-Stickstoff-Wäsche vorgeschlagen. Diese Technologie ist jedoch mit einem gewissen Aufwand verbunden. Eine Besonderheit stellt der bei Stickstoffüberschuss im Synthesegas zur Anwendung kommende "Brown^® Purifier" dar, der Methan (weitgehend) und Argon (teilweise) im Bodenprodukt einer Tieftemperatur Rektifikation ausschleust.
Auch wurde vorgeschlagen, die Synthesereaktoren nicht adiabatisch, sondern mehr oder weniger isotherm zu betreiben, was durch Kühlung mit Hilfe von Rohrwicklungen oder Plattentauschern erreicht werden kann.
Die Verfahren und die Vorrichtungen zur Herstellung eines Produktes aus Synthesegas, welches neben den Reaktanden ggf. auch inerte Komponenten enthält, durch heterogene Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz sind jedoch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend und es besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Vorrichtungen.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung zur Herstellung eines Produktes aus Synthesegas zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts umfassend die Schritte:

(a) Bereitstellen von frischem Synthesegas A umfassend Reaktanden und ggf. inerte Komponenten;
(b) Vermischen des frischen Synthesegases A mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs B umfassend nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten unter Erzeugung eines Reaktionsgases C;
(c) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei einem Druck P₁ unter Erzeugung eines Produktgases D umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten;
(d) Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas D unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs E;
(e) ggf. Aufteilen des Gasgemischs E in mindestens einen Teilstrom F und einen Teilstrom G, und Rückführen des Teilstroms F als im Kreislauf geführtes Gasgemischs B zu Schritt (b);
(f) Vermischen des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H umfassend nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten unter Erzeugung eines Reaktionsgases I;
(g) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei einem Druck P₂ unter Erzeugung eines Produktgases J umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten;
(h) Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas J unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs K;
(i) Aufteilen des Gasgemischs K in mindestens einen Teilstrom L und einen Teilstrom M, und Rückführen zumindest eines Teils des Teilstroms L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch B zu Schritt (b) und/oder als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Schritt (f); und
(j) Ausschleusen des Teilstroms M;

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Bevorzugt ist das Produkt Ammoniak und die Reaktanden sind Stickstoff und Wasserstoff, bevorzugt im erforderlichen molaren Verhältnis von ca. 1:3.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen das frische Synthesegas A, das Gasgemisch B, das Reaktionsgas C, das Produktgas D, das Gasgemisch E, ggf. der Teilstrom F, ggf. der Teilstrom G, das Gasgemisch H, das Reaktionsgas I, das Produktgases J, das Gasgemisch K, der Teilstrom L, und/oder der Teilstrom M inerte Komponenten. Die inerten Komponenten sind dabei im Hinblick auf die Synthese des Produktes inert. Im Falle des bevorzugten Produktes Ammoniak umfassen die inerten Komponenten bevorzugt Edelgase, insbesondere Argon, sowie Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan.
In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird frisches Synthesegas A bereitgestellt, welches Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst. Das Synthesegas kann aus unterschiedlichen Quellen stammen, wobei Erdgas als Quelle bevorzugt ist. Die Zusammensetzung des frischen Synthesegases ist von der Art des Produkts abhängig. Bezüglich der Einzelheiten zur Bereitstellung von Synthesegas wird beispielsweise vollumfänglich verwiesen auf A. Nielsen, I. Dybkjaer, Ammonia – Catalysis and Manufacture, Springer Berlin 1995, Kapitel 6, Seiten 202–326.
Das Synthesegas A ist frisch, d.h. es ist erfindungsgemäß bevorzugt zuvor aus keiner vorgeschalteten Kreislaufsynthese als Spülgasstrom ausgeschleust worden.
Zur Realisierung einer Rückzirkulation wird das Rückzirkulationsgas (Teilstrom F bzw. Teilstrom L, die unabhängig voneinander betrachtet werden) auf den Eingangsdruck der Synthese (Reaktionsgase C bzw. Reaktionsgas I) verdichtet. Dies erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt entweder mit Hilfe eines separaten Rückzirkulationsverdichters, oder gemeinsam mit dem frischen Synthesegas A bzw. Teilstrom G. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das in Schritt (a) bereitgestellte frische Synthesegas A bzw. der in Schritt (e) gebildete Teilstrom G anschließend verdichtet, bevorzugt auf den Druck P₁ bzw. P₂. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn ein Rückzirkulationsverdichter zum Einsatz kommt (Teilstrom F bzw. Teilstrom L) und wenn der geforderte Druck P₁ bzw. P₂ höher ist als der Druck des frischen Synthesegases A bzw. des Teilstroms G.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Produkts können ggf. Druckverluste vorkommen. Solche Druckverluste können insbesondere bei der Durchströmung des Katalysators auftreten. Beispielsweise kann es bei der Synthese von Produkt aus Reaktanden unter heterogener Gaskatalyse in Schritt (c) zu einem Druckverlust ∆Pv₁ kommen. Ebenso kann es bei der Synthese von Produkt aus Reaktanden unter heterogener Gaskatalyse in Schritt (g) zu einem Druckverlust ∆Pv₂ kommen. Solche Druckverluste können dabei beispielsweise durch Verwirbelungen an Einbauten verursacht werden. Ebenso können Druckverluste im gesamten Verfahren durch Rohrreibungen bedingt sein.
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das frische Synthesegases A mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs B vermischt, welches nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst, wodurch ein Reaktionsgas C erzeugt wird. Die relativen Volumenströme des frischen Synthesegases A und des im Kreislauf geführten Gasgemischs B sind erfindungsgemäß grundsätzlich nicht beschränkt. Bevorzugt ist der Massenstrom des frischen Synthesegases A größer als der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Reaktionsgas C aus dem frischen Synthesegas A und dem im Kreislauf geführten Gasgemisch B. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden dem Reaktionsgas C weitere Komponenten zugesetzt.
Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des frischen Synthesegases A am Reaktionsgas C mindestens 50%, bevorzugter mindestens 60%. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des frischen Synthesegases A am Reaktionsgas C höchstens 90%, bevorzugter höchstens 80% und insbesondere höchstens 70%. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des im Kreislauf geführten Gasgemischs B am Reaktionsgas C mindestens 10%, bevorzugter mindestens 20% und insbesondere mindestens 30%. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des im Kreislauf geführten Gasgemischs B am Reaktionsgas C höchstens 50%, bevorzugter höchstens 40%.
Das im Kreislauf geführte Gasgemisch B kann Produkt enthalten, welches zuvor nicht vollständig abgetrennt wurde, wodurch Produkt in das erzeugte Reaktionsgas C gelangen kann. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des Produkts am Reaktionsgas C höchstens 7,5%, bevorzugter höchstens 5,0% und insbesondere höchstens 2,5%.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das in Schritt (b) erzeugte Reaktionsgas C bzw. in Schritt (f) erzeugte Reaktionsgas I anschließend verdichtet, bevorzugt auf den Druck P₁ bzw. P₂. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn kein Rückzirkulationsverdichter zum Einsatz kommt (Teilstrom F bzw. Teilstrom L) oder wenn der geforderte Druck P₁ bzw. P₂ höher ist als der Druck des frischen Synthesegases A bzw. des Teilstroms G.
In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei einem Druck P₁ synthetisiert, wodurch ein Produktgas D erzeugt wird, welches infolge des unvollständigen Umsatzes nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. Die Synthese kann dabei in einem einzelnen Druckbehälter erfolgen, welcher ein einzelnes Katalysatorbett enthält. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Synthese in mehreren, hintereinander geschalteten Druckbehältern erfolgt, welche jeweils ein einzelnes Katalysatorbett enthalten. Analog ist es möglich, dass die Synthese in einem einzelnen Druckbehälter erfolgt, welcher mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorbetten enthält. Ferner ist es möglich, dass die Synthese in mehreren, hintereinander geschalteten Druckbehältern erfolgt, welche jeweils mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorbetten enthalten. Auch Mischungen dieser Varianten sind möglich. In allen diesen Ausführungsformen erfolgt die Synthese jedoch im Wesentlichen bei Druck P₁.
Die Technologie der Synthese ist von der Art des Produkts abhängig. Reaktoren und Katalysatoren zur Gasphasenreaktion bei hohem Druck unter heterogener Gaskatalyse sind einem Fachmann bekannt. Im Hinblick auf die erfindungsgemäß bevorzugte Synthese von Ammoniak als Produkt wird beispielsweise ebenfalls vollumfänglich verwiesen auf A. Nielsen, I. Dybkjaer, Ammonia – Catalysis and Manufacture, Springer Berlin 1995, Kapitel 6, Seiten 202–326.
Der Druck P₁ liegt erfindungsgemäß bevorzugt im Bereich von 50 bis 400 bar, bevorzugter im Bereich von 170 bis 230 bar, insbesondere im Falle einer Ammoniaksynthese.
Durch die Synthese wird aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, Produkt synthetisiert, wodurch das erzeugte Produktgas D Produkt umfasst. Bevorzugt liegt der relative Volumenanteil des Produkts am Produktgas D im Bereich von 10 bis 40%, bevorzugter 15 bis 35% und insbesondere 20 bis 30%.
In Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Produkt aus dem Produktgas D abgetrennt, wodurch ein an Produkt abgereichertes Gasgemischs E erzeugt wird. Die Technologie der Abtrennung ist von der Art des Produkts abhängig. Bevorzugt umfasst die Abtrennung die Abkühlung und Kondensierung des Produkts mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung, insbesondere mit Hilfe eines Wärmetauschers mit Kühlmedium, und die anschließende Abtrennung des kondensierten Produkts vom Produktgas in einer geeigneten Separationsvorrichtung. Im Hinblick auf die Abtrennung des erfindungsgemäß bevorzugt synthetisierten Ammoniak als Produkt wird beispielsweise ebenfalls vollumfänglich verwiesen auf A. Nielsen, I. Dybkjaer, Ammonia – Catalysis and Manufacture, Springer Berlin 1995, Kapitel 6, Seiten 202–326.
Im optionalen Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gasgemisch E in mindestens einen Teilstrom F und einen Teilstrom G aufgeteilt, und der Teilstrom F wird als im Kreislauf geführtes Gasgemischs B zu Schritt (b) zurückgeführt. Der Teilstrom F und das im Kreislauf geführte Gasgemisch B sind daher erfindungsgemäß bevorzugt identisch, wobei es allerdings grundsätzlich möglich ist, dass dem Teilstrom F auf dem Weg der Rückführung zu Schritt (b) weitere Komponenten zugemischt werden, so dass Gasgemisch B dann den Teilstrom F sowie die weiteren Komponenten umfasst. Bevorzugt wird das Gasgemisch E in einen Teilstrom F und einen Teilstrom G aufgeteilt, so dass anschließend der gesamte Massenstrom des Gasgemischs E auf Teilstrom F und Teilstrom G aufgeteilt ist. Bevorzugt liegt das Verhältnis vom Massenstrom des Gasgemisch E zum Massenstrom des Gasgemischs F im Bereich von 3:1 bis 1:1, bevorzugter 2,5:1 bis 1:1, noch bevorzugter 2:1 bis 1:1 und insbesondere 1,5:1 bis 1:1. Bevorzugt beträgt das Verhältnis vom Massenstrom des Gasgemischs E zum Massenstrom des Gasgemischs F 1:1, wenn im Gasgemisch E keine inerten Komponenten vorhanden sind.
In Schritt (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gasgemisch E bzw., wenn das erfindungsgemäße Verfahren den optionalen Schritt (e) umfasst, der Teilstrom G, mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H vermischt, welches nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst, wodurch ein Reaktionsgas I erzeugt wird. Die relativen Volumenströme des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G und des im Kreislauf geführten Gasgemischs H sind erfindungsgemäß grundsätzlich nicht beschränkt. Bevorzugt ist der Massenstrom des Teilstroms G kleiner als der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Reaktionsgas I aus dem Gasgemisch E bzw. dem Teilstrom G und dem im Kreislauf geführten Gasgemisch H. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden dem Reaktionsgas I weitere Komponenten zugesetzt.
Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G am Reaktionsgas I mindestens 10%, bevorzugter mindestens 20% und insbesondere mindestens 30%. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G am Reaktionsgas I höchstens 49%, bevorzugter höchstens 45% und insbesondere höchstens 40%. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des im Kreislauf geführten Gasgemischs H am Reaktionsgas I mindestens 51%, bevorzugter mindestens 55% und insbesondere mindestens 60%. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des im Kreislauf geführten Gasgemischs H am Reaktionsgas I höchstens 90%, bevorzugter höchstens 80% und insbesondere höchstens 70%.
Das im Kreislauf geführte Gasgemisch H kann Produkt enthalten, welches zuvor nicht vollständig abgetrennt wurde, wodurch Produkt in das erzeugte Reaktionsgas I gelangen kann. Bevorzugt beträgt der relative Volumenanteil des Produkts am Reaktionsgas I höchstens 7,5%, bevorzugter höchstens 5,0% und insbesondere höchstens 2,5%.
In Schritt (g) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei einem Druck P₂ synthetisiert, wodurch ein Produktgas J erzeugt wird, welches infolge des unvollständigen Umsatzes nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. Wie auch vorstehend bereits im Zusammenhang mit Schritt (c) erläutert, kann die Synthese dabei in einem einzelnen Druckbehälter erfolgen, welcher ein einzelnes Katalysatorbett enthält. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Synthese in mehreren, hintereinander geschalteten Druckbehältern erfolgt, welche jeweils ein einzelnes Katalysatorbett enthalten. Analog ist es möglich, dass die Synthese in einem einzelnen Druckbehälter erfolgt, welcher mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorbetten enthält. Ferner ist es möglich, dass die Synthese in mehreren, hintereinander geschalteten Druckbehältern erfolgt, welche jeweils mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorbetten enthalten. Auch Mischungen dieser Varianten sind möglich. In allen diesen Ausführungsformen erfolgt die Synthese jedoch im Wesentlichen bei Druck P₂.
Die Technologie der Synthese richtet sich nach den vorstehend im Zusammenhang mit Schritt (c) erläuterten Faktoren.
Der Druck P₂ liegt erfindungsgemäß bevorzugt wie auch Druck P₁ im Bereich von 50 bis 400 bar, bevorzugter im Bereich von 170 bis 230 bar, insbesondere im Falle einer Ammoniaksynthese.
Durch die Synthese wird aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, Produkt synthetisiert, wodurch das erzeugte Produktgas J Produkt umfasst. Bevorzugt liegt der relative Volumenanteil des Produkts am Produktgas J im Bereich von 5 bis 35%, bevorzugter 10 bis 30% und insbesondere 15 bis 25%.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens haben mindestens 75 Vol.-% des Reaktionsgases I zuvor Schritt (c) durchlaufen. Bevorzugt haben mindestens 80 Vol.-%, bevorzugter mindestens 85 Vol.-%, noch bevorzugter mindestens 90 Vol.-%, am bevorzugtesten mindestens 95 Vol.-% und insbesondere mindestens 99 Vol.-% des Reaktionsgases I zuvor Schritt (c) durchlaufen. Bevorzugt hat das Reaktionsgas I zuvor Schritt (c) vollständig durchlaufen.
In Schritt (h) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Produkt aus dem Produktgas J abgetrennt, wodurch ein an Produkt abgereichertes Gasgemischs K erzeugt wird. Die Technologie der Abtrennung richtet sich nach den vorstehend im Zusammenhang mit Schritt (d) erläuterten Faktoren.
In Schritt (i) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gasgemischs K in mindestens einen Teilstrom L und einen Teilstrom M aufgeteilt und zumindest ein Teil des Teilstroms L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch B zu Schritt (b) zurückgeführt und/oder als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Schritt (f) zurückgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der gesamte Teilstrom L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Schritt (f) zurückgeführt (vgl. 2). Der Teilstrom L und das im Kreislauf geführte Gasgemisch H sind dann erfindungsgemäß bevorzugt identisch, wobei es allerdings grundsätzlich möglich ist, dass dem Teilstrom L auf dem Weg der Rückführung zu Schritt (f) weitere Komponenten zugemischt werden, so dass Gasgemisch H dann den Teilstrom L sowie die weiteren Komponenten umfasst. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird Teilstrom L seinerseits erneut in mindestens zwei, bevorzugt in genau zwei Teilströme aufgeteilt, wobei ein Teil des Teilstroms L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch B zu Schritt (b) zurückgeführt und ein anderer Teil des Teilstroms L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Schritt (f) zurückgeführt wird (vgl. 1).
Bevorzugt wird das Gasgemisch K in einen Teilstrom L und einen Teilstrom M aufgeteilt, so dass anschließend der gesamte Massenstrom des Gasgemischs K auf Teilstrom L und Teilstrom M aufgeteilt ist. Bevorzugt liegt das Verhältnis vom Massenstrom des Gasgemisch L zum Massenstrom des Gasgemischs M im Bereich von 16:1 bis 2:1, bevorzugter 14:1 bis 4:1, noch bevorzugter 12:1 bis 6:1 und insbesondere 10:1 bis 8:1.
In Schritt (j) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Teilstrom M ausgeschleust. Die in Teilstrom M ggf. enthaltenen Inerten werden auf diese Weise dem Gesamtprozess entzogen, wodurch die Anreicherung von Inerten im Gesamtsystem begrenzt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Druck P₁ und Druck P₂ im Wesentlichen gleich. In diesem Zusammenhang bedeutet "im Wesentlichen gleich", dass bevorzugt der Druck P₂ relativ von Druck P₁ um nicht mehr als den Betrag des Druckverlusts abweicht, welcher bei der Überführung vom Reaktionsgas C bis hin zum Reaktionsgas I auftritt, typischerweise und bevorzugt um nicht mehr als 10 bar. Bevorzugt weicht Druck P₂ um nicht mehr als 7,5 bar relativ von Druck P₁ ab, bevorzugter um nicht mehr als 5 bar und insbesondere um nicht mehr als 2,5 bar. Bevorzugt sind der Druck P₁ und der Druck P₂ gleich groß. Dabei wird der Druck jeweils bevorzugt am Eingang des Reaktors gemessen.
Die Schritte (a) bis (j) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt in alphabetischer Reihenfolge durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt kontinuierlich betrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft durch Veränderung der einzelnen Volumenströme der Gasgemische bzw. Teilströme gesteuert oder geregelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert oder geregelt, dass

– der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L entspricht; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%.

Zum Zwecke der Beschreibung bedeutet im Zusammenhang mit den Volumen- bzw. Massenströmen und den Drücken "im Wesentlichen" bevorzugt jeweils unabhängig voneinander eine Abweichung um nicht mehr als 10%, bevorzugter nicht mehr als 5%, noch bevorzugter um nicht mehr als 2% und insbesondere nicht mehr als 1%.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert oder geregelt, dass

– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I entspricht; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%.

Bevorzugt ist der Massenstrom des Teilstroms G um den Betrag des Umsatzes der Nachfolgesynthese größer als der Massenstrom des Teilstroms M.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert oder geregelt, dass

– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms G im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M entspricht; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms G größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M, bevorzugt um mindestens 50%, bevorzugter um mindestens 100%, noch bevorzugter um mindestens 200% und insbesondere um mindestens 300%. Letztere Ausführungsform ist besonders bevorzugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert oder geregelt, dass

– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms F kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms G, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms F im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms G entspricht; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms F größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms G, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; und/oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M entspricht; oder
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M, bevorzugt um mindestens 100%, bevorzugter um mindestens 200%, noch bevorzugter um mindestens 300% und insbesondere um mindestens 400%.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren so gesteuert oder geregelt, dass

– der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; und
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I entspricht; und
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms G größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M, bevorzugt um mindestens 5%, bevorzugter um mindestens 10%, noch bevorzugter um mindestens 15% und insbesondere um mindestens 20%; und
– der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M, bevorzugt um mindestens 10%, bevorzugter um mindestens 50%, noch bevorzugter um mindestens 100% und insbesondere um mindestens 200%.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Synthese

– in Schritt (c) in mehreren, hintereinander geschalteten Katalysestufen jeweils unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₁, wobei das Reaktionsgas C die einzelnen Katalysestufen nacheinander durchläuft und zwischen aufeinanderfolgenden Katalysestufen gekühlt wird; und/oder
– in Schritt (g) in mehreren, hintereinander geschalteten Katalysestufen jeweils unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₂, wobei das Reaktionsgas I die einzelnen Katalysestufen nacheinander durchläuft und zwischen aufeinanderfolgenden Katalysestufen gekühlt wird.

Bevorzugt erfolgt dabei die Kühlung zwischen aufeinanderfolgenden Katalysestufen mit Hilfe von Wärmetauschern unter Einsatz eines Kühlmediums, bevorzugt im Gegenstrom mit kaltem Einsatzgas in die Synthese.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dabei

– das Reaktionsgas C zunächst in mindestens einen Teilstrom C₁ und einen Teilstrom C₂ aufgeteilt, wobei der Teilstrom C₁ der ersten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Teilstrom C₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases D₁ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und wobei der Teilstrom C₂ unter Umgehung der ersten Katalysestufe mit dem Produktgas D₁ vermischt wird und einer hinter der ersten Katalysestufe geschalteten, zweiten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Gemisch aus Teilstrom C₂ und Produktgas D₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases D₂ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und/oder
– das Reaktionsgas I zunächst in mindestens einen Teilstrom I₁ und einen Teilstrom I₂ aufgeteilt, wobei der Teilstrom I₁ der ersten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Teilstrom I₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases J₁ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und wobei der Teilstrom I₂ unter Umgehung der ersten Katalysestufe mit dem Produktgas J₁ vermischt wird und einer hinter der ersten Katalysestufe geschalteten, zweiten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Gemisch aus Teilstrom I₂ und Produktgas J₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases J₂ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten.

Bevorzugt erfolgt die Gesamtsynthese durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem Maßstab, welcher eine Tagesproduktion von 2.200 t Produkt übersteigt. Bevorzugt beträgt die Tagesproduktion von Produkt mindestens 3.000 t, bevorzugter mindestens 3.500 t, noch bevorzugter mindestens 4.000 t und insbesondere mindestens 4.500 t.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Volumenanteil der inerten Komponenten im Teilstrom F geringer als der Volumenanteil der inerten Komponenten im Teilstrom L.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens übersteigt der Volumenanteil der inerten Komponenten im Reaktionsgas I nicht 14 Vol.-%, bevorzugt nicht 10 Vol.-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens übersteigt der Volumenanteil der inerten Komponenten im Reaktionsgas C nicht 4 Vol.-%, bevorzugt nicht 2,5 Vol.%.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte:

(a₁) Bereitstellen von frischem Synthesegas A₁ umfassend Reaktanden und ggf. inerte Komponenten;
(a₂) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem frischen Synthesegas A₁ enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz unter Erzeugung eines Produktgases A₂, umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und
(a₃) Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas A₂ unter Erzeugung des Synthesegases A.

Bevorzugt werden die Schritte (a₁), (a₂) und (a₃) in einem Once-Through-Reaktor durchgeführt. Das frische Synthesegas A₁ kann aus unterschiedlichen Quellen stammen, wobei Erdgas als Quelle bevorzugt ist. Die Zusammensetzung des frischen Synthesegases A₁ ist von der Art des Produkts abhängig. In dem Once-Through-Reaktor wird naturgemäß nur frisches Synthesegas A₁ umgesetzt, ohne dass dieses zuvor mit im Kreislauf geführtem Synthesegas vermischt wurde. Das in Schritt (a₃) erhaltene Synthesegas A wird anschließend bevorzugt Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens zugeführt.
Im bevorzugten Schritt (a₂) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Produkt aus Reaktanden, welche in dem Synthesegas A₁ enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz synthetisiert, wodurch das Produktgas A₂ erzeugt wird, welches infolge des unvollständigen Umsatzes nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. Wie auch vorstehend bereits im Zusammenhang mit Schritt (c) erläutert, kann die Synthese dabei in einem einzelnen Druckbehälter erfolgen, welcher ein einzelnes Katalysatorbett enthält. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Synthese in mehreren, hintereinander geschalteten Druckbehältern erfolgt, welche jeweils ein einzelnes Katalysatorbett enthalten. Analog ist es möglich, dass die Synthese in einem einzelnen Druckbehälter erfolgt, welcher mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorbetten enthält. Ferner ist es möglich, dass die Synthese in mehreren, hintereinander geschalteten Druckbehältern erfolgt, welche jeweils mehrere hintereinander geschaltete Katalysatorbetten enthalten. Auch Mischungen dieser Varianten sind möglich. Die Technologie der Synthese richtet sich bevorzugt nach den vorstehend im Zusammenhang mit Schritt (c) erläuterten Faktoren.
Im bevorzugten Schritt (a₃) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Produkt aus dem Produktgas A₂ abgetrennt, wobei das Synthesegas A erzeugt wird. Die Technologie der Abtrennung richtet sich bevorzugt nach den vorstehend im Zusammenhang mit Schritt (d) erläuterten Faktoren.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schritte (a₁), (a₂) und (a₃) in numerischer Reihenfolge ausgeführt. Bevorzugt werden (a₁), (a₂) und (a₃) vor Schritt (a) ausgeführt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Produkts umfassend die folgenden miteinander in Wirkverbindung stehenden Komponenten:

(i) eine Mischvorrichtung (1) konfiguriert zum Vermischen eines frisches Synthesegases A mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs B unter Erzeugung eines Reaktionsgases C;
(ii) einen Verdichter (2), welcher vor der Mischvorrichtung (1) angeordnet ist, konfiguriert zum Verdichten des frischen Synthesegases A auf einen Druck P₁; oder hinter der Mischvorrichtung angeordnet ist, konfiguriert zum Verdichten des Reaktionsgases C auf einen Druck P₁;
(iii) einen Reaktor (3) zur Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei Druck P₁ unter Erzeugung des Produktgases D;
(iv) eine Abtrennvorrichtung (4) konfiguriert zum Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas D unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs E;
(v) ggf. eine Aufteilvorrichtung (10) konfiguriert zum Aufteilen des Gasgemischs E in einen Teilstrom F und einen Teilstrom G und Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Teilstrom F als im Kreislauf geführtes Gasgemischs B zu Mischvorrichtung (1);
(vi) eine Mischvorrichtung (5) konfiguriert zum Vermischen des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H unter Erzeugung eines Reaktionsgases I;
(vii) einen Reaktor (6) zur Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei einem Druck P₂ unter Erzeugung des Produktgases J;
(viii) eine Abtrennvorrichtung (7) konfiguriert zum Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas J unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs K;
(ix) eine Aufteilvorrichtung (8) konfiguriert zum Aufteilen des Gasgemischs K in einen Teilstrom L und einen Teilstrom M;
(x) wenn die Aufteilvorrichtung (10) nicht vorhanden ist, eine Aufteilvorrichtung (9) konfiguriert zum Aufteilen von Teilstrom L in zwei Teilströme, von denen der eine der beiden Teilströme Gasgemisch B und der andere der beiden Teilströme Gasgemisch H bildet, Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Gasgemisch B zu Mischvorrichtung (1) sowie Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Gasgemisch H zu Mischvorrichtung (5); oder wenn die Aufteilvorrichtung (10) vorhanden ist, Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Teilstrom L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Mischvorrichtung (5); und
(xi) Mittel konfiguriert zum Ausschleusen von Teilstrom M;

2

2'

11

11'

₂

6

₁

3

₂

₁

Die Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung stehen miteinander in Wirkverbindung, d.h. sind durch geeignete Rohrleitungen etc. miteinander in einer Weise verbunden, welche die allgemeine Funktionsfähigkeit der Vorrichtung gewährleistet. Die dafür erforderlichen Maßnahmen sind einem Fachmann bekannt.
Alle bevorzugten Ausführungsformen, welche vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, gelten analog auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und werden daher nicht wiederholt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher die Verwendung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren.
Alle bevorzugten Ausführungsformen, welche vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wurden, gelten analog auch für die erfindungsgemäße Verwendung und werden daher nicht wiederholt.
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft illustriert. Ein Fachmann erkennt, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht zwingend alle abgebildeten Merkmale gleichzeitig verwirklicht sein müssen.
1 illustriert eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Dabei wird zunächst frisches Synthesegas A bereitgestellt, welches Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst. In Mischvorrichtung (1) wird das frische Synthesegas A mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs B vermischt, wobei Gasgemisch B nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst. Durch das Vermischen wird aus Synthesegas A und Gasgemisch B das Reaktionsgas C erzeugt, welches in Verdichter (2) auf den Druck P₁ verdichtet wird. Anschließend erfolgt in Reaktor (3) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₁ unter Erzeugung des Produktgases D, welches nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. In Abtrennvorrichtung (4) wird Produkt (hier NH₃) aus dem Produktgas D unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs E abgetrennt. Ggf. kann es bei der Synthese von Produkt aus Reaktanden in Reaktor (3) und bei der Abtrennung von Produkt in der Abtrennvorrichtung (4) zu einem Druckverlust ∆Pv₁ kommen. Anschließend wird in Mischvorrichtung (5) das Gasgemisch E mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H vermischt, welches nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst. Durch das Vermischen wird aus Gasgemisch E und Gasgemisch H das Reaktionsgas I erzeugt. Bevorzugt wird Reaktionsgas I in einem weiteren Verdichter (2') auf den Druck P₂ verdichtet. Anschließend erfolgt in Reaktor (6) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₂ unter Erzeugung des Produktgases J, welches nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. In Abtrennvorrichtung (7) wird Produkt (hier NH₃) aus dem Produktgas J unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs K abgetrennt. Ggf. kann es bei der Synthese von Produkt aus Reaktanden in Reaktor (6) und bei der Abtrennung von Produkt in der Abtrennvorrichtung (7) zu einem Druckverlust ∆Pv₂ kommen. Anschließend wird das Gasgemisch K in Aufteilvorrichtung (8) in einen Teilstrom L und einen Teilstrom M aufgeteilt, wobei Teilstrom L teilweise als im Kreislauf geführtes Gasgemisch B zu Mischvorrichtung (1) sowie teilweise als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Mischvorrichtung (5) zurückgeführt wird. Dazu wird Teilstrom L in Aufteilvorrichtung (9) in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei einer der beiden Teilströme Gasgemisch B und der andere der beiden Teilströme Gasgemisch H bildet. Teilstrom M wird hingegen zusammen mit den darin enthaltenen inerten Komponenten aus dem System ausgeschleust. In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann der Verdichter (2) an anderer Stelle angeordnet sein, und zwar entweder der Mischvorrichtung (5) nachgeschaltet und dem Reaktor (6) vorgeschaltet, oder in der Rückführleitung für Teilstrom L der Aufteilvorrichtung (8) nachgeschaltet und der Aufteilvorrichtung (9) vorgeschaltet. Bevorzugt werden sowohl der Druckverlust ∆Pv₁ als auch der Druckverlust ∆Pv₂ durch den Verdichter (2) ausgeglichen.
2 illustriert eine bevorzugte Variante der in 1 illustrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zu 1 wird dabei Gasgemischs E in Aufteilvorrichtung (10) in einen Teilstrom F und einen Teilstrom G aufgeteilt, wobei Teilstrom F als im Kreislauf geführtes Gasgemischs B zu Mischvorrichtung (1) zurückgeführt wird. Bevorzugt wird zum Ausgleich des Druckverlusts ∆Pv₁ das Reaktionsgas C in Verdichter (2) verdichtet. Anschließend wird Teilstrom G mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H vermischt, welches nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst. Durch das Vermischen wird aus Teilstrom G und Gasgemisch H das Reaktionsgas I erzeugt. Ferner wird im Unterscheid zu 1 das Gasgemisch K in Aufteilvorrichtung (8) in einen Teilstrom L und einen Teilstrom M aufgeteilt, wobei Teilstrom L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Mischvorrichtung (5) zurückgeführt wird. Bevorzugt wird zum Ausgleich des Druckverlusts ∆Pv₂ das Reaktionsgas I in Verdichter (2') verdichtet. In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann der Verdichter (2) an anderer Stelle angeordnet sein, und zwar entweder der Mischvorrichtung (5) nachgeschaltet und dem Reaktor (6) vorgeschaltet, oder in der Rückführleitung für Teilstrom L der Aufteilvorrichtung (8) nachgeschaltet und der Aufteilvorrichtung (9) vorgeschaltet; oder in der Rückführleitung für Teilstrom F der Aufteilvorrichtung (9) nachgeschaltet und der Mischvorrichtung (1) vorgeschaltet.
3 illustriert eine bevorzugte Variante der in 2 illustrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zu 2 erfolgt die Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₁ in mehreren hintereinander geschalteten Reaktoren (3), (3') und (3'') unter Erzeugung des Produktgases D, welches nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. Ferner erfolgt im Unterschied zu 2 analog die Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₂ in mehreren hintereinander geschalteten Reaktoren (6), (6') und (6'') unter Erzeugung des Produktgases J, welches nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. Die Reaktoren (3), (3') und (3'') bzw. die Reaktoren (6), (6') und (6'') können jeweils in unterschiedlichen Druckbehältern angeordnet sein. Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, dass Reaktoren (3), (3') und (3'') als nacheinander geschaltete Reaktionskammern in einem gemeinsamen Druckbehälter und Reaktoren (6), (6') und (6'') als nacheinander geschaltete Reaktionskammern in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind.
4 illustriert eine weitere bevorzugte Variante der in 2 illustrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zu 2 ist Mischvorrichtung (1) hinter dem Verdichter (2) angeordnet, d.h. stromabwärts. Um die Drücke P₁ und P₂ aufrecht zu erhalten und eventuelle Druckverluste auszugleichen, können dabei in den beiden Kreisläufen Hilfsverdichter (11) und/oder Hilfsverdichter (11') angeordnet sein. In einer bevorzugten Abwandlung der Ausführungsform gemäß 4 ist der Hilfsverdichter (11) der Aufteilvorrichtung (10) vorgeschaltet (nicht gezeigt).
5 illustriert eine weitere bevorzugte Variante der in 3 illustrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zu 3 wird das in Verdichter (2) auf den Druck P₁ verdichtete Reaktionsgas C in Trennvorrichtung (12) in die drei Teilströme C₁, C₂ und C₃ aufgeteilt. In den Reaktoren (3), (3'), (3'') und (3''') erfolgt jeweils Synthese von Produkt aus Reaktanden unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₁.
Teilstrom C₁ wird Reaktor (3) zugeführt, in dem Produktgas D₁ erzeugt wird. Teilstrom C₂ wird in Mischvorrichtung (13) mit dem Produktgas D₁ vermischt und die so erhaltene Mischung wird anschließend Reaktor (3') zugeführt, in dem Produktgas D₂ erzeugt wird. Teilstrom C₃ wird in Mischvorrichtung (14) mit dem Produktgas D₂ vermischt und die so erhaltene Mischung wird anschließend Reaktor (3'') zugeführt, in dem ein Produktgas erzeugt wird, welches anschließend Reaktor (3''') zugeführt wird, in dem daraus Produktgas D₃ erzeugt wird. Produktgase D₁, D₂ und D₃ umfassen jeweils nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten. In Abtrennvorrichtung (4) wird dann Produkt (hier NH₃) aus dem Produktgas D₃ abgetrennt.
6 illustriert eine weitere bevorzugte Variante der in 2 illustrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zu 2 schließt sich Aufteilvorrichtung (8), in welcher das Gasgemisch K in einen Teilstrom L und einen Teilstrom M aufgeteilt wird, ein weiteres Kreislaufsystem an. Dazu wird Teilstrom M in Mischvorrichtung (5') mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H' vermischt, welches nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten umfasst. Durch das Vermischen wird aus Teilstrom M und Gasgemisch H' das Reaktionsgas I' erzeugt. Bevorzugt wird das Reaktionsgas I' in dem weiteren Verdichter (2'') verdichtet. Anschließend erfolgt in Reaktor (6') Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I' enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₂' unter Erzeugung des Produktgases J', welches nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten umfasst. In Abtrennvorrichtung (7') wird Produkt (hier NH₃) aus dem Produktgas J' unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs K' abgetrennt. Anschließend wird das Gasgemisch K' in Aufteilvorrichtung (8') in einen Teilstrom L' und einen Teilstrom M' aufgeteilt, wobei Teilstrom L' als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H' zu Mischvorrichtung (5') zurückgeführt wird. Teilstrom M' wird hingegen zusammen mit den darin enthaltenen inerten Komponenten aus dem System ausgeschleust. Druck P₂' weicht um nicht mehr als 10 bar von Druck P₁ und Druck P₂ ab, vorzugsweise um nicht mehr als 5 bar.
Die Erfindung wird durch das nachfolgende Gedankenexperiment näher erläutert, welches jedoch nicht einschränkend, sondern nur beispielhaft auszulegen ist:
a) Der Simulationsrechnung zugrundeliegendes Modell
Prozesse der heterogenen Gaskatalyse, also der Reaktionen gasförmiger Komponenten unter Anwesenheit eines Feststoffkatalysators, sind im Regelfall Gleichgewichtprozesse. Die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts basiert auf der Darstellung der Fugazitäten f_i der beteiligten Komponenten im Gemisch. Aus den Fugazitäten f_i und den stöchiometrischen Äquivalenzzahlen ν_i der an der Reaktion beteiligten Komponenten (Reaktanden + Produkte) lässt sich nach dem Massenwirkungsgesetz ein Produkt aus Potenzthermen bilden:
mit: p₀ = 1.013 bara Standarddruck
Auch unter hohen Arbeitsdrücken können z.B. für die NH₃- oder MeOH-Synthese die Fugazitäten hinreichend durch die Partialdrücke der Komponenten im Gemisch ersetzt werden, da unter höheren Temperaturen, oberhalb der Anspringtemperatur der Katalyse, die thermodynamischen Residualfunktionen gegen Null streben.
Ist mit K = f(T) die Gleichgewichtskonstante K als Funktion der Gleichgewichtstemperatur T tabelliert oder berechenbar, so lässt sich für ein Gasgemisch aus n Reaktionskomponenten am Austritt eines Synthesereaktors aus den Partialdrücken p_i der Reaktionskomponenten und den zur Reaktion gehörenden stöchiometrischen Äquivalenzzahlen ν_i ein realisierter Wert K1 berechnen:
Der Wert K1 ist der adiabaten Temperatur T1 einer Reaktion zugeordnet, die aus der kalorischen Bilanz berechnet werden kann (kalorische Zustandsfunktion der Eintritts- und Austrittsströme der Katalyse + Reaktionswärme des Formelumsatzes aus den Standardbildungsenthalpien der beteiligten Komponenten).
Mit: T = f^–1(K1) folgt mit abs (T–T1) die lokale Triebkraft des Prozesses, dargestellt als Temperaturdifferenz.
Hier bedeuten:

T: die Gleichgewichtstemperatur, basierend auf den Partialdrücken der beteiligten Komponenten
T1: die adiabate Temperatur aus der kalorischen Bilanz (ergibt sich aus den tabellierten Werten).

Diese Transformation hat den Vorteil, dass sie in einer Null-Asymptote endet und für einen Fachmann verständlich anwendbar ist; das Massen-Wirkungs-Gesetz liefert keine Partialdruckdifferenz. Der hier zugrunde liegende Berechnungsalgorithmus kann durch eine numerische Rekursion einfach umgesetzt werden. Unter der Annahme endlicher Katalysatorvolumina realisiert der Ausgangsstrom eines Katalysatorbettes immer einen Abstand zum theoretischen Gleichgewicht, der üblicherweise heuristisch durch einen Approach definiert wird und der für viele der Katalysen 10 bis 20 K beträgt. Bei der Anwendung von Prozesssimulatoren kann der Approach mit unterschiedlichem Vorzeichen vorgegeben werden. Zu berücksichtigen ist die Vereinbarung der beteiligten Komponenten als Reaktanden oder Produkte und die Temperaturabhängigkeit des Massen-Wirkungs-Gesetzes.
Wenn es sich um Gleichgewichtsprozesse handelt, kann nur ein unvollständiger Umsatz der Reaktanden des Einsatzgases realisiert werden, der Prozess endet an der Gleichgewichtsgrenze in einer Triebkraft-Asymptote. Für die NH₃- oder MeOH-Synthesen wäre folgendes zu berücksichtigen: Die Prozesskurve verläuft ideal bei isothermer Prozessführung oberhalb der Anspringtemperatur der Reaktion durch in das Katalysatorbett eingebettete Kühlflächen. Bei adiabater Prozessführung mit exothermer Wärmetönung (Beispiel) verschlechtert sich der Gleichgewichtswert K (T) unter Berücksichtigung der Temperaturerhöhung sehr schnell zu Ungunsten der Produktbildung. Letzteres kann durch eine abschnittsweise Kühlung zwischen in Reihe geschalteten Katalysatorbetten (Synthesestufen) weitgehend kompensiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Kühlung ist die Zufuhr eines kalten Einsatzgases zwischen die Synthesestufen bei gleichzeitiger Verringerung der Partialdrücke der gebildeten Komponenten (Quenchkühlung).
Im Fall eines hochreaktiven Einsatzgases, das als sogenanntes "Frischgas" einer Synthese zugeführt wird, ist im ersten Katalysatorbett bei hohem Arbeitsdruck schnell mit einem adiabaten Temperaturanstieg jenseits der zulässigen Arbeitstemperatur des Katalysators zu rechnen. Dies kann zu einer lokalen Überhitzung des Katalysators führen. In diesem Fall muss das erste Bett verkleinert und mit einem hohen Temperatur-Approach ausgelegt werden. Es bleibt ein Risiko: Bei unpräziser Bestimmung (Reserven) des Katalysatorvolumens kann das Ende der Katalysatorschüttung zerstört werden und Druckverlustprobleme verursachen. Es gibt demnach zwei Gründe für die Kühlung in einer Synthese:

– Erweiterung des Umsatzes
– Schutz des Katalysators vor Überhitzung.

Infolge des unvollständigen Umsatzes der Reaktanden muss mit einem beträchtlichen Verlust an Synthesegas (Restgas) gerechnet werden. Handelt es sich bei dem Prozess mit unvollständigem Umsatz der Reaktanden um eine „Once-Through-Synthese“, wird klar, dass eine Once-Through-Synthese nur in Kombination mit einer Restgasverwertung wirtschaftlich betrieben werden kann. In der industriellen Praxis wird das Restgas üblicherweise in das Einsatzgas vor die Synthese rückzirkuliert. Dabei entsteht ein Kreislaufsystem, das zwei Vorteile aufweist:

– Theoretisch keine Restgasverluste,
– der Rückzirkulationsstrom erhöht den Durchsatz durch den Katalysator und damit den Umsatz bei vorgegebenem Katalysatorvolumen. Die Höhe des Rückzirkulationsstroms hängt bei vorgegebenem Umsatz vom Betrag des umzusetzenden Frischgases und von der Gleichgewichtskonstante K(T) in Kombination mit dem realisierten Temperatur-Approach abs (T–T1) des Ausgangsstroms ab.

Tatsächlich kann das Einsatzgas auch inerte Komponenten enthalten, was häufig, aber nicht immer der Fall ist, wobei die inerten Komponenten an der Reaktion nicht teilnehmen. Dies wären bei der Synthese von NH₂ oder MeOH die Komponenten Methan und Argon, die sich im Kreislauf anreichern und mittels eines kleinen Spülgasstroms (Purge) ausgeschleust werden müssen. Der Spülgasstrom wird dann üblicherweise über eine Syntheserestgaszerlegung verwertet. Die im Kreislaufgas angereicherten inerten Komponenten stören erheblich die Triebkraft am Austritt eines jeden adiabaten oder isothermen Katalysatorbetts.
Für Kreislaufsysteme mit Inertenanreicherung lassen sich folgende Grenzwertbetrachtungen formulieren:
Eine Drosselung des Spülgasstroms und Rückzirkulation des verbleibenden Gasgemischs initiiert den Kreislauf. Die Inertenanreicherung (2) steigt; bei zunehmendem Kreislaufstrom (1) wird der Umsatz über dem angebotenen Katalysatorvolumen maximiert (3) (4).
b) Ausgangspunkt
Gehen wir am Beispiel der Ammoniaksynthese von folgendem theoretischen Gedankenexperiment aus: Für eine Investitionsentscheidung wird eine Ammoniaksynthese mit einer Kapazität von z.B. 4.400 tato (Tagestonnen = t/d) an einem Standort gefordert. Als Technologie wurde eine mehrstufige adiabate Synthese mit Zwischenkühlung ausgewählt. Unter der Annahme, dass eine einsträngige Kreislaufsynthese mit einer Produktionsleistung von 2.200 tato bei einem Arbeitsdruck von 200 bar die wirtschaftlich sinnvoll realisierbare Grenze repräsentiert, wären verschiedene Ansätze für die Realisierung einer entsprechenden Kapazitätssteigerung zu suchen.
Als Kriterium für den konstruktiven Engpass kann zum Beispiel der Rohrleitungsdurchmesser vor dem Eintritt in den Synthesereaktor herangezogen werden, dem in der Auslegung ein maximaler Massenstrom des Reaktionsgases in den Synthesereaktor zugeordnet werden kann.
c) Herkömmliche Lösungen des Problems
Schaltet man einen Once-Through-Reaktor einer Kreislaufsynthese vor, in dem das frische Synthesegas zunächst bei einem geringeren Druck (ca. 100 bar) zu Ammoniak durch heterogene Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz umgesetzt wird, dann kann ein zusätzlicher Umsatz von ca. 1.000 tato NH₃ realisiert werden.
Integriert man stattdessen einen solchen Once-Through-Reaktor bereits in die höhere Druckstufe (ca. 200 bar), so lässt sich eine Kapazitätserweiterung von ca. 1.350 tato NH₃ erreichen.
Beide Maßnahmen verfehlen die geforderte Kapazität (2.200 tato + 1.000 tato < 4.400 tato; 2.200 tato + 1.350 tato < 4.400 tato). Daher wären entweder zwei Vorreaktoren erforderlich (entspricht dem wirtschaftlichen Aufwand von annähernd zwei zusätzlichen Synthesen) oder es wäre die Ausführung des Systems in zwei Parallelsträngen in Betracht zuziehen; letztere Lösung entspräche zwei unabhängigen Kreislaufsynthesen mit je 2.200 tato NH₃ Produktion.
d) Erfindungsgemäße Lösung des Problems
Schaltet man hingegen mehrere Kreislaufsynthesen in Reihe, in denen jeweils folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

(a) Synthese von Produkt,
(b) Abtrennung von Produkt,
(c) Aufteilung des Restgases in einen Ausschleusungsteilstrom und einen Rückführteilstrom,
(d) wobei der Ausschleusungsteilstrom aus dem Kreislaufsystem ausgeschleust wird,
(e) der Rückführteilstrom zur Synthese desselben Kreislaufsystems und/oder zu einer Synthese eines vorgeschalteten Kreislaufsystems zurückgeführt wird, die Synthese von Produkt in allen Kreislaufsystemen bei im Wesentlichen gleichem Druck erfolgt, und wobei der aus dem ersten Kreislaufsystem ausgeschleuste Ausschleusungsteilstrom dem nachfolgenden zweiten Kreislaufsystem zugeführt wird, so dass zumindest ein Teil des Gasgemisches, welches das zweite Kreislaufsystem durchströmt, zuvor das erste Kreislaufsystem durchströmt hat, so zeigt eine Simulationsrechnung ein überaus überraschendes Ergebnis: Die erste Kreislaufsynthese produziert bei im Wesentlichen der gleichen Menge an Reaktionsgas C deutlich mehr Ammoniak als die zweite Kreislaufsynthese aus Reaktionsgas I produziert.

Das frische Synthesegas A (nicht zirkuliertes, in das erste Kreislaufsystem neu eintretendes Gas) enthält bilanztechnisch den Betrag des Teilstroms G (nicht zirkuliertes, in das zweite Kreislaufsystem neu eintretendes Gas). Entsprechend kann der Betrag des im Kreislauf geführten Gasgemischs B reduziert werden. Die Qualität des Reaktionsgases C wird gegenüber der Qualität des Reaktionsgases I entscheidend verbessert. Das erste Kreislaufsystem weist einen geringeren NH₃-Eintrittsgehalt in Reaktionsgas C auf als die zweite Kreislaufsystem in Reaktionsgas I. Hier steigt die Triebkraft des Prozesses am Eintritt der Katalyse, der Umsatz erhöht sich. Die Wirkung der Reduktion der Rückzirkulation wird zusätzlich verstärkt durch die Tatsache, dass das erste Kreislaufsystem eine deutlich erhöhte Gasmenge ausschleust (Teilstrom G), welche dem zweiten Kreislaufsystem zugeführt wird. Infolge dieser Wirkung reduziert sich die Anreicherung der inerten Komponenten CH₄, Ar im Kreislauf erheblich. Die Triebkraftasymptote am Austritt eines jeden Katalysatorbetts wird verschoben, der Umsatz erhöht sich noch einmal.
Es wäre an sich zu erwarten, dass die positiven Effekte im ersten Kreislaufsystem zu einer Verschlechterung der Eintrittsbedingungen für das zweite Kreislaufsystem führen, sodass die zu erwartenden Nachteile des zweiten Kreislaufsystems die Vorteile des ersten Kreislaufsystems kompensieren und die Reihenschaltung letztlich keine Vorteile liefert.
Erstaunlicherweise verteilen sich jedoch Vor- und Nachteile mit unterschiedlicher Gewichtung. Das erste Kreislaufsystem gewinnt erheblich, das zweite Kreislaufsystem verliert wenig, da beide Kreislaufsysteme in Kombination ein streng nichtlineares Gesamtverhalten zeigen. Eine prozesstechnisch unbedeutende Erhöhung des Spülgasstroms des zweiten Kreislaufsystems (Teilstrom M) führt zu einer Korrektur möglicher Nachteile.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung als Alternative zur Once-Through-Vorsynthese in der höchsten Druckstufe besteht in der Dämpfung des Risikos einer lokalen Überhitzung im Katalysatorbett des ersten Kreislaufsystems. Falls das erste Katalysatorbetts Katalysator im Überschuss aufweist, kann es nach einer Überhitzung im Austrittsbereich des Katalysatorbetts zur „Verblockung“ kommen, wodurch der Prozess heruntergefahren werden müsste.
e) Ergebnisse:

Die Gegenüberstellung in der nachfolgenden Tabelle zeigt die numerischen Simulationsergebnisse entsprechend dem erläuterten theoretischen Experiment [Einkreis-Synthese (Vergleich) und Zweikreis-Synthese (erfindungsgemäß)]. Bedingt durch die ausgeprägte numerische Empfindlichkeit des Systems sind die Bilanzzahlen nicht ganz präzise adjustiert worden:

		Einkreis	Zweikreis
			1. Kreislauf		2. Kreislauf
Rückzirkulation	kmol/h	28567	15674	B/F	26914	L/H
Eingang Synthese	kmol/h	40619	41010	C	40514	I
Ausschleusung	kmol/h	1268	13600	G	3000	M
NH₃ Eingang Synthese	Mol.-%	3,4	1,5	C	4,8	I
NH₃ Austritt Synthese	Mol.-%	19,1	25,2	D	19,5	J
CH₄ + Ar Rückzirkulation	Mol.-%	10,1	3,4	B/F	12,5	L/H
NH₃-Produktion	tato	2190	3578	G/NH₃	2043	M/NH₃

Eine Einkreissynthese mit der Kapazität von 2190 tato NH₃ als konstruktive Basis, liefert in zwei unabhängigen parallelen Strängen 4.380 tato NH₃, in der erfindungsgemäßen Kombination als zweistufige Kaskade können hingegen insgesamt 5.621 tato NH₃ produziert werden. Bei geforderten 4.400 tato NH₃ kann die Kaskade mindestens eine Nennweite kleiner ausgeführt werden als zwei Parallelstränge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 225029 [0005]
EP 1339641 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Nielsen, I. Dybkjaer, Ammonia – Catalysis and Manufacture, Springer Berlin 1995, Kapitel 6, Seiten 202–326 [0015]
Das Synthe [0016]
A. Nielsen, I. Dybkjaer, Ammonia – Catalysis and Manufacture, Springer Berlin 1995, Kapitel 6, Seiten 202–326 [0025]
A. Nielsen, I. Dybkjaer, Ammonia – Catalysis and Manufacture, Springer Berlin 1995, Kapitel 6, Seiten 202–326 [0028]

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen von frischem Synthesegas A umfassend Reaktanden und ggf. inerte Komponenten; (b) Vermischen des frischen Synthesegases A mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs B umfassend nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten unter Erzeugung eines Reaktionsgases C; (c) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei einem Druck P₁ unter Erzeugung eines Produktgases D umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; (d) Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas D unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs E; (e) ggf. Aufteilen des Gasgemischs E in mindestens einen Teilstrom F und einen Teilstrom G, und Rückführen des Teilstroms F als im Kreislauf geführtes Gasgemischs B zu Schritt (b); (f) Vermischen des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H umfassend nicht umgesetzte Reaktanden und ggf. inerte Komponenten unter Erzeugung eines Reaktionsgases I; (g) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei einem Druck P₂ unter Erzeugung eines Produktgases J umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; (h) Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas J unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs K; (i) Aufteilen des Gasgemischs K in mindestens einen Teilstrom L und einen Teilstrom M, und Rückführen zumindest eines Teils des Teilstroms L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch B zu Schritt (b) und/oder als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Schritt (f); und (j) Ausschleusen des Teilstroms M; wobei Druck P₂ und Druck P₁ im Wesentlichen gleich sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Produkt Ammoniak ist und die Reaktanden Stickstoff und Wasserstoff sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das frische Synthesegas A, das Gasgemisch B, das Reaktionsgas C, das Produktgas D, das Gasgemisch E, ggf. der Teilstrom F, ggf. der Teilstrom G, das Gasgemisch H, das Reaktionsgas I, das Produktgases J, das Gasgemisch K, der Teilstrom L, und/oder der Teilstrom M inerte Komponenten umfassen.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Druck P₂ um nicht mehr als 10 bar relativ von Druck P₁ abweicht.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L entspricht; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I entspricht; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms G im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M entspricht; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms G größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms F kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms G; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms F im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms G entspricht; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms F größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms G; und/oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M entspricht; oder – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei – der Volumen- und/oder der Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs B bzw. Teilstroms F kleiner ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des im Kreislauf geführten Gasgemischs H bzw. Teilstroms L; und – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Reaktionsgases C im Wesentlichen dem Volumen- bzw. Massenstrom des Reaktionsgases I entspricht; und – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms G größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M; und – der Volumen- und/oder der Massenstrom des Teilstroms L größer ist als der Volumen- bzw. Massenstrom des Teilstroms M.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Synthese – in Schritt (c) in mehreren, hintereinander geschalteten Katalysestufen jeweils unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₁ erfolgt, wobei das Reaktionsgas C die einzelnen Katalysestufen nacheinander durchläuft und zwischen aufeinanderfolgenden Katalysestufen gekühlt wird; und/oder – in Schritt (g) in mehreren, hintereinander geschalteten Katalysestufen jeweils unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz bei Druck P₂ erfolgt, wobei das Reaktionsgas I die einzelnen Katalysestufen nacheinander durchläuft und zwischen aufeinanderfolgenden Katalysestufen gekühlt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kühlung zwischen aufeinanderfolgenden Katalysestufen mit Hilfe von Wärmetauschern erfolgt. Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei – das Reaktionsgas C zunächst in mindestens einen Teilstrom C₁ und einen Teilstrom C₂ aufgeteilt wird, wobei der Teilstrom C₁ der ersten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Teilstrom C₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases D₁ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und wobei der Teilstrom C₂ unter Umgehung der ersten Katalysestufe mit dem Produktgas D₁ vermischt wird und einer hinter der ersten Katalysestufe geschalteten, zweiten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Gemisch aus Teilstrom C₂ und Produktgas D₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases D₂ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und/oder – das Reaktionsgas I zunächst in mindestens einen Teilstrom I₁ und einen Teilstrom I₂ aufgeteilt wird, wobei der Teilstrom I₁ der ersten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Teilstrom I₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases J₁ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und wobei der Teilstrom I₂ unter Umgehung der ersten Katalysestufe mit dem Produktgas J₁ vermischt wird und einer hinter der ersten Katalysestufe geschalteten, zweiten Katalysestufe zugeführt wird, in der Synthese von Produkt aus Reaktanden erfolgt, welche in dem Gemisch aus Teilstrom I₂ und Produktgas J₁ enthalten sind, unter Erzeugung eines Produktgases J₂ umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Synthese in einem Maßstab erfolgt, welcher eine Tagesproduktion von 2.200 t Produkt übersteigt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Volumenanteil der inerten Komponenten im Teilstrom F geringer ist als der Volumenanteil der inerten Komponenten im Teilstrom L.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Volumenanteil der inerten Komponenten im Reaktionsgas I 14 Vol.-% nicht übersteigt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Volumenanteil der inerten Komponenten im Reaktionsgas C 4 Vol.-% nicht übersteigt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches die folgenden zusätzlichen Schritte umfasst: (a₁) Bereitstellen von frischem Synthesegas A₁ umfassend Reaktanden und ggf. inerte Komponenten; (a₂) Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem frischen Synthesegas A₁ enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei unvollständigem Umsatz unter Erzeugung eines Produktgases A₂, umfassend nicht umgesetzte Reaktanden, Produkt und ggf. inerte Komponenten; und (a₃) Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas A₂ unter Erzeugung des Synthesegases A.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens 75 Vol.-% des Reaktionsgases I Schritt (c) durchlaufen haben.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Produkts umfassend die folgenden miteinander in Wirkverbindung stehenden Komponenten: (i) eine Mischvorrichtung (1) konfiguriert zum Vermischen eines frisches Synthesegases A mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs B unter Erzeugung eines Reaktionsgases C; (ii) einen Verdichter (2), welcher vor der Mischvorrichtung (1) angeordnet ist, konfiguriert zum Verdichten des frischen Synthesegases A auf einen Druck P₁; oder hinter der Mischvorrichtung angeordnet ist, konfiguriert zum Verdichten des Reaktionsgases C auf einen Druck P₁; (iii) einen Reaktor (3) zur Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas C enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei Druck P₁ unter Erzeugung des Produktgases D; (iv) eine Abtrennvorrichtung (4) konfiguriert zum Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas D unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs E; (v) ggf. eine Aufteilvorrichtung (10) konfiguriert zum Aufteilen des Gasgemischs E in mindestens einen Teilstrom F und einen Teilstrom G und Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Teilstrom F als im Kreislauf geführtes Gasgemischs B zu Mischvorrichtung (1); (vi) eine Mischvorrichtung (5) konfiguriert zum Vermischen des Gasgemischs E bzw. des Teilstroms G mit zumindest einem Teil eines in einem Kreislauf geführten Gasgemischs H unter Erzeugung eines Reaktionsgases I; (vii) einen Reaktor (6) zur Synthese von Produkt aus Reaktanden, welche in dem Reaktionsgas I enthalten sind, unter heterogener Gaskatalyse bei einem Druck P₂ unter Erzeugung des Produktgases J; (viii) eine Abtrennvorrichtung (7) konfiguriert zum Abtrennen von Produkt aus dem Produktgas J unter Erzeugung eines an Produkt abgereicherten Gasgemischs K; (ix) eine Aufteilvorrichtung (8) konfiguriert zum Aufteilen des Gasgemischs K in mindestens einen Teilstrom L und einen Teilstrom M; (x) wenn die Aufteilvorrichtung (10) nicht vorhanden ist, eine Aufteilvorrichtung (9) konfiguriert zum Aufteilen von Teilstrom L in zwei Teilströme, von denen der eine der beiden Teilströme Gasgemisch B und der andere der beiden Teilströme Gasgemisch H bildet, Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Gasgemisch B zu Mischvorrichtung (1) sowie Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Gasgemisch H zu Mischvorrichtung (5); oder wenn die Aufteilvorrichtung (10) vorhanden ist, Mittel konfiguriert zum Zurückführen von Teilstrom L als im Kreislauf geführtes Gasgemisch H zu Mischvorrichtung (5); und (xi) Mittel konfiguriert zum Ausschleusen von Teilstrom M; wobei die Vorrichtung neben dem Verdichter (2) ggf. einen weiteren Verdichter (2') konfiguriert zum Verdichten des Reaktionsgases I und/oder einen Hilfsverdichter (11) konfiguriert zum Nachverdichten des im Kreislauf geführten Gasgemischs B und/oder einen Hilfsverdichter (11') konfiguriert zum Nachverdichten des im Kreislauf geführten Gasgemischs H aufweist, ansonsten jedoch keinen weiteren Verdichter aufweist, so dass der Druck P₂ im Reaktor (6) im Wesentlichen Druck P₁ im Reaktor (3) entspricht.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 19 in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18.