DE102016221967A1 - Process for the production of ammonia and ammonia synthesis converter - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter, bei dem man einen Eduktgasstrom zunächst durch ein erstes Katalysatorbett (16) leitet, in dem eine Reaktion der Eduktgase stattfindet, wobei dem ersten Katalysatorbett ein Wärmetauscher (17) zugeordnet ist und man danach den Prozessgasstrom durch ein zweites Katalysatorbett (20) leitet, in dem eine weitere Reaktion der Eduktgase stattfindet, wobei dem zweiten Katalysatorbett ein weiterer Wärmetauscher (19) zugeordnet ist, wobei man den Eduktgasstrom dem Ammoniaksynthesekonverter in mindestens zwei Teilströmen über voneinander getrennte Einlässe (11, 18) zuführt, um die Temperatur der Prozessgasströme im Ammoniaksynthesekonverter zu beeinflussen und wobei man mindestens einen Teilstrom der Eduktgase als Kühlmedium durch einen der Wärmetauscher strömen lässt, um einen Wärmetausch mit einem den Wärmetauscher durchströmenden durch die Reaktion aufgeheizten Prozessgasstrom zu bewirken, und wobei man erfindungsgemäß den aus dem zweiten Katalysatorbett (20) ausströmenden Prozessgasstrom anschließend durch ein drittes Katalysatorbett (26) leitet. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Ammoniaksynthesekonverter (10), der in dem vorgenannten Verfahren eingesetzt wird. Bevorzugt verwendet man jeweils platzsparende Plattenwärmetauscher, die ein geringeres Volumen bei der gegebenen Wärmeleistung benötigen und es so möglich machen, das frei gewordene Volumen für zusätzlichen Katalysator zu verwenden und so die Produktion zu steigern.The present invention relates to a process for the preparation of ammonia in an ammonia synthesis converter, in which one passes a Eduktgasstrom first through a first catalyst bed (16), in which a reaction of the educt gases takes place, the first catalyst bed is associated with a heat exchanger (17) and one then passes the process gas stream through a second catalyst bed (20), in which a further reaction of the educt gases takes place, the second catalyst bed is associated with a further heat exchanger (19), wherein the Eduktgasstrom the ammonia synthesis converter in at least two partial streams via separate inlets (11 , 18) in order to influence the temperature of the process gas streams in the ammonia synthesis converter and wherein at least a partial flow of the educt gases can flow as a cooling medium through one of the heat exchangers to heat exchange with a heat exchanger flowing through the reaction heated Prozes to effect gas flow, and wherein according to the invention the process gas stream flowing out of the second catalyst bed (20) then passes through a third catalyst bed (26). The present invention furthermore relates to an ammonia synthesis converter (10) which is used in the aforementioned method. Preference is given to using each space-saving plate heat exchanger, which require a smaller volume at the given heat output and make it possible to use the freed volume for additional catalyst and thus to increase production.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter, bei dem man einen Eduktgasstrom zunächst durch ein erstes Katalysatorbett leitet, in dem eine Reaktion der Eduktgase stattfindet, wobei dem ersten Katalysatorbett ein Wärmetauscher zugeordnet ist und man danach den Prozessgasstrom durch ein zweites Katalysatorbett leitet, in dem eine weitere Reaktion der Eduktgase stattfindet, wobei dem zweiten Katalysatorbett ein weiterer Wärmetauscher zugeordnet ist, wobei man den Eduktgasstrom dem Ammoniaksynthesekonverter in mindestens zwei Teilströmen über voneinander getrennte Einlässe zuführt, um die Temperatur der Prozessgasströme im Ammoniaksynthesekonverter zu beeinflussen und wobei man mindestens einen Teilstrom der Eduktgase als Kühlmedium durch einen der Wärmetauscher strömen lässt, um einen Wärmetausch mit einem den Wärmetauscher durchströmenden durch die Reaktion aufgeheizten Prozessgasstrom zu bewirken. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Ammoniaksynthesekonverter, welcher für die Herstellung von Ammoniak nach dem vorgenannten Verfahren geeignet ist.The present invention relates to a process for the preparation of ammonia in an ammonia synthesis converter, in which one passes a Eduktgasstrom first through a first catalyst bed in which a reaction of educt gases takes place, the first catalyst bed is associated with a heat exchanger and then the process gas stream through a second Catalyst bed passes, in which a further reaction of the educt gases takes place, wherein the second catalyst bed is associated with a further heat exchanger, wherein the Eduktgasstrom the ammonia synthesis converter in at least two partial streams via separate inlets to influence the temperature of the process gas streams in the ammonia synthesis converter and wherein at least a partial flow of educt gases can flow as a cooling medium through one of the heat exchangers to effect a heat exchange with a process gas flow through the reaction flowing through the heat exchanger. The present invention furthermore relates to an ammonia synthesis converter which is suitable for the production of ammonia by the abovementioned process.

Die Volumina der Druckbehälter für Ammoniak-Synthesereaktoren teilen sich prinzipiell auf die von den Katalysatorbetten, den Wärmetauschern und den Gaskanälen beanspruchten Teilvolumina auf. Bedingt durch die in der Regel verhältnismäßig hohen Arbeitsdrücke der Synthesereaktoren sind die Druckbehälter teure Komponenten. Eine Minimierung der spezifisch entsprechend teuren Druckbehältervolumina ist deshalb generell anzustreben.The volumes of the pressure vessels for ammonia synthesis reactor are divided in principle on the claimed by the catalyst beds, the heat exchangers and the gas channels partial volumes. Due to the generally relatively high working pressures of the synthesis reactors, the pressure vessels are expensive components. A minimization of the specifically correspondingly expensive pressure vessel volumes is therefore generally desirable.

Aus der US-Patentschrift US 7,780,925 B2 ist ein katalytischer Festbettreaktor für heterogene katalytische Reaktionen bekannt, welcher u.a. auch für die Ammoniaksynthese einsetzbar ist. Der dort beschriebene Reaktor umfasst ein erstes Katalysatorbett, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist, der als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. Unterhalb des ersten Katalysatorbetts ist ein zweites Katalysatorbett mit einem zweiten Plattenwärmetauscher angeordnet. In seinem oberen Bereich weist dieser Reaktor eine Verjüngung im Durchmesser auf, so dass eine Art Flaschenhals ausgebildet ist. In diesem verjüngten oberen Bereich ist ein dritter Wärmetauscher angeordnet, wobei es sich hier jedoch um einen Rohrbündelwärmetauscher handelt. Die chemische Reaktion findet hier in nur zwei Katalysatorbetten statt.From the US patent US 7,780,925 B2 is a catalytic fixed bed reactor for heterogeneous catalytic reactions known, which is also used for ammonia synthesis, among others. The reactor described therein comprises a first catalyst bed in which a heat exchanger is arranged, which is designed as a plate heat exchanger. Below the first catalyst bed, a second catalyst bed is arranged with a second plate heat exchanger. In its upper region, this reactor has a taper in diameter, so that a kind of bottleneck is formed. In this tapered upper area, a third heat exchanger is arranged, but this is a shell and tube heat exchanger. The chemical reaction takes place here in only two catalyst beds.

In Situationen, in denen ein Austausch der Konvertereinsätze wegen des Erreichens der Lebensdauergrenze erforderlich wird, ist oft auch eine Kapazitätssteigerung der Anlage erwünscht. Ammoniaksynthesekonverter, wie sie aus der zuvor erwähnten US-Patentschrift 7,780,925 B2 bekannt sind, haben eine flaschenartige Form mit einem im Durchmesser reduzierten Zugang am Kopf, so dass man den Konvertereinsatz als ganze Einheit nicht austauschen kann. Eine Erhöhung des Katalysatorvolumens bei diesem Konvertertyp ist schwierig, da dafür Schweißarbeiten innerhalb des Konverters erforderlich wären. Diese Schweißarbeiten wären extrem risikobehaftet, da die Einsätze in den Konvertern über lange Zeiträume in einer stark nitrierenden Atmosphäre im Dauerbetrieb waren. Darüber hinaus würde ein Umbau des Konvertereinsatzes zu einem längeren Stillstand der Anlage und damit zu einem erheblichen Produktionsausfall führen, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Neuausrüstungsmaßnahme („Revamp“) der Anlage insgesamt gefährdet wäre. Damit ein Umbaukonzept einer Anlage wirtschaftlich bleibt, sollte man auf größere Umbauarbeiten innerhalb des Konverters sowie auf längere und komplizierte Schweißarbeiten verzichten.In situations where it is necessary to replace the converter inserts because the life limit has been reached, an increase in the capacity of the system is often desired. Ammonia synthesis converter, as shown in the aforementioned U.S. Patent 7,780,925 B2 are known to have a bottle-like shape with a reduced diameter access to the head so that you can not replace the converter insert as a whole unit. An increase in the catalyst volume in this type of converter is difficult because it would require welding within the converter. These welding operations would be extremely risky because the inserts in the converters were in continuous operation for long periods of time in a highly nitriding atmosphere. In addition, a conversion of the converter operation would lead to a longer downtime of the plant and thus to a significant loss of production, which would jeopardize the overall economic viability of the equipment ("revamp") of the plant. In order for a conversion concept of a plant to remain economical, one should refrain from major conversion work within the converter as well as longer and complicated welding work.

Weiterhin nachteilig ist bei diesen Konvertern, an denen oft bereits Maßnahmen zur Erhöhung der Kapazität durchgeführt worden sind, dass der bereits hohe Druckverlust eine weitere Erhöhung der Prozessgasmenge unmöglich macht.Another disadvantage of these converters, on which measures have already been often carried out to increase the capacity, that the already high pressure loss makes a further increase in the amount of process gas impossible.

Die bei Ammoniaksynthesekonvertern verwendeten Rohrbündelwärmetauscher beanspruchen ein relativ großes Volumen pro übertragener Wärmeleistung (geringe Wärmestromdichte), so dass dadurch weniger Volumen für das Katalysatorbett zur Verfügung steht. Ein Wärmetauscher, der ein geringeres Volumen bei der gegebenen Wärmeleistung benötigt, macht es möglich, das frei gewordene Volumen für zusätzlichen Katalysator zu verwenden und so die Produktion zu steigern. Wenn es andererseits gelingt, den Druckverlust der Wärmetauscher bei unverändertem Volumen zu reduzieren, kann man die Kapazitätserhöhung allein durch eine Erhöhung der Gasmenge und somit ohne Erhöhung des Katalysatorvolumens erreichen.The tube bundle heat exchangers used in ammonia synthesis converters require a relatively large volume per transferred heat output (low heat flow density), so that less volume is available for the catalyst bed. A heat exchanger that requires less volume at the given heat output makes it possible to use the freed volume for additional catalyst to increase production. On the other hand, if it is possible to reduce the pressure loss of the heat exchanger at the same volume, one can achieve the capacity increase solely by increasing the amount of gas and thus without increasing the catalyst volume.

Bauartbedingt ist die spezifische Wärmeübertragungsleistung von Rohrbündel-Wärmetauschern begrenzt und wird von anderen Bauarten wie z.B. Plattenwärmetauschern deutlich übertroffen. Im Gegensatz zu Rohrbündel-Wärmetauschern sind Plattenwärmetauscher allerdings hinsichtlich der zulässigen Druckdifferenz zwischen den beiden Stoffströmen auf etwa 20 bar begrenzt. Da die Druckdifferenz bei Einsatz des Plattenwärmetauschers in einem Ammoniaksynthesekonverter der hier beschriebenen Art auf die Druckverluste in den Katalysatorbetten und Strömungskanälen beschränkt ist und unter etwa 5 bar liegt, ist hier der Einsatz von Plattenwärmetauschern grundsätzlich möglich.Due to the nature of the specific heat transfer performance of shell and tube heat exchangers is limited and is of other types such. Plate heat exchangers clearly exceeded. In contrast to shell and tube heat exchangers, however, plate heat exchangers are limited to approximately 20 bar with regard to the permissible pressure difference between the two material streams. Since the pressure difference when using the plate heat exchanger in an ammonia synthesis converter of the type described here is limited to the pressure losses in the catalyst beds and flow channels and is below about 5 bar, the use of plate heat exchangers is basically possible.

Standard-Plattenwärmetauscher werden üblicherweise mit einer Vielzahl paralleler rechteckiger Platten mit vier Zuleitungsrohren (je zwei für kalten und warmen Strom) ausgeführt. Dabei sind die Platten nicht eben, sondern haben eine komplexe gewellte Form, meist im Fischgrätmuster, um die Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen und den Wärmeübergang durch höheren Turbulenzgrad zu verbessern sowie die mechanische Abstützung der in der Regel recht dünnen Platten untereinander zu gewährleisten. Weniger verbreitet, aber grundsätzlich bekannt, sind runde Plattenwärmetauscher.Standard plate heat exchangers are usually made with a plurality of parallel rectangular ones Plates with four supply pipes (two each for cold and warm electricity). The plates are not flat, but have a complex undulating shape, usually in herringbone pattern to increase the heat transfer surface and to improve the heat transfer through higher turbulence and to ensure the mechanical support of the usually quite thin plates with each other. Less common, but basically known, are round plate heat exchangers.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, in dem bei vergleichbarem Konvertervolumen eine Kapazitätssteigerung gegenüber bekannten Konvertern erreichbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, einen für dieses Verfahren geeigneten Ammoniaksynthesekonverter zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide a process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter having the features of the aforementioned type, in which a comparable increase in capacity can be achieved over known converters with a comparable volume of converter. The object of the invention is also to provide an ammonia synthesis converter suitable for this process.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Ammoniaksynthesekonverter mit den Merkmalen des Anspruchs 12.The solution of the aforementioned object provides a method of the type mentioned above with the features of claim 1 and an ammonia synthesis converter with the features of claim 12.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass man den aus dem zweiten Katalysatorbett ausströmenden Prozessgasstrom anschließend durch ein drittes Katalysatorbett leitet.According to the invention, the process gas stream flowing out of the second catalyst bed is subsequently passed through a third catalyst bed.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht vor, dass man den Eduktgasstrom in einem dritten Wärmetauscher vorwärmt, bevor der Eduktgasstrom durch das erste Katalysatorbett geleitet wird, wobei der dritte Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. Dies schafft die Möglichkeit einen effektiven und platzsparenden Plattenwärmetauscher in dem verjüngten Kopfbereich des Ammoniaksynthesekonverters unterzubringen, in dem nur ein reduzierter Bauraum zur Verfügung steht.A preferred further development of the task solution according to the invention provides that the educt gas stream is preheated in a third heat exchanger before the educt gas stream is passed through the first catalyst bed, the third heat exchanger being designed as a plate heat exchanger. This makes it possible to accommodate an effective and space-saving plate heat exchanger in the tapered head region of the ammonia synthesis converter, in which only a reduced space available.

Vorteilhaft ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Einsatz besonders platzsparender runder Plattenwärmetauscher mit direkter seitlicher Einströmung des heißen Gases, wie sie beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten älteren Anmeldung DE 2016 114 713.3 vom 09. 08. 2016 beschrieben werden. Diese platzsparenden Plattenwärmetauscher füllen das gesamte zur Verfügung stehende Volumen, so dass man den Druckverlust durch die Vergrößerung der Abstände zwischen den einzelnen Platten deutlich reduzieren kann. Es sei hier darauf hingewiesen, dass der Druckverlust in den Wärmetauschern gewöhnlich den überwiegenden Teil des gesamten Druckverlustes in dem Ammoniak-Konvertereinsatz ausmacht. Mit reduziertem Druckverlust kann die Feedmenge (Menge des Speisestroms) erhöht werden, was zwar die Ammoniak-Austrittskonzentration senkt, aber durch die insgesamt größere Gasmenge die absolute Menge an synthetisiertem Ammoniak erhöht. Der Druckverlust steigt zwar auch durch die Erhöhung der Gasmenge, bleibt aber deutlich unter den kritischen Werten.It is advantageous in the context of the present invention, the use of particularly space-saving round plate heat exchanger with direct lateral inflow of the hot gas, as for example in the not previously published earlier application DE 2016 114 713.3 from 09. 08. 2016 are described. These space-saving plate heat exchangers fill the entire available volume, so that the pressure loss can be significantly reduced by increasing the distances between the individual plates. It should be noted here that the pressure loss in the heat exchangers usually accounts for the majority of the total pressure loss in the ammonia converter use. With reduced pressure loss, the feed amount (amount of the feed stream) can be increased, which although the ammonia discharge concentration lowers, but increased by the total larger amount of gas, the absolute amount of synthesized ammonia. Although the pressure loss increases by increasing the amount of gas, but remains well below the critical values.

Bei den im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Plattenwärmetauschern handelt es sich bevorzugt um besonders platzsparende runde Wärmetauscher der vorgenannten Art. Diese haben den Vorteil, dass der Prozessgasstrom zunächst das erste Katalysatorbett im Wesentlichen in radialer Richtung vollständig durchströmen kann und danach den diesem Katalysatorbett zugeordneten ersten Wärmetauscher durchströmt. Der Plattenwärmetauscher reduziert somit nicht das Volumen des Katalysatorbetts, da er anders als im Stand der Technik nicht in das Katalysatorbett hineinragt, sondern konzentrisch radial innenseitig zu dem Katalysatorbett angeordnet ist, so dass das Katalysatorbett den Wärmetauscher ringförmig außenseitig umgibt.The plate heat exchangers used in the present invention are preferably particularly space-saving round heat exchangers of the aforementioned type. These have the advantage that the process gas stream can first completely flow through the first catalyst bed substantially in the radial direction and then the first heat exchanger associated with this catalyst bed flows through. The plate heat exchanger thus does not reduce the volume of the catalyst bed, since it does not protrude into the catalyst bed, as in the prior art, but is arranged concentrically radially inwardly to the catalyst bed, so that the catalyst bed surrounds the heat exchanger on the outside ring.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist entsprechend vorgesehen, dass der Prozessgasstrom zunächst das zweite Katalysatorbett im Wesentlichen in radialer Richtung vollständig durchströmt und danach einen diesem Katalysatorbett zugeordneten zweiten Wärmetauscher durchströmt.According to a preferred development of the present invention, it is accordingly provided that the process gas stream first flows through the second catalyst bed substantially completely in the radial direction and then flows through a second heat exchanger assigned to this catalyst bed.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung strömt der Prozessgasstrom in den ersten und/oder den zweiten Wärmetauscher im Wesentlichen in radialer Richtung ein und strömt in axialer Richtung aus dem jeweiligen Wärmetauscher aus. Dies ist durch eine spezifische kompakte und platzsparende Bauweise der Plattenwärmetauscher möglich. Im Wesentlichen axial aus dem ersten Wärmetauscher ausströmendes Prozessgas kann beispielsweise in einem Zwischenraum zwischen dem ersten Katalysatorbett und dem zweiten Katalysatorbett wieder radial nach außen strömen, so dass der Prozessgasstrom dann in das zweite Katalysatorbett wieder von radial außen eintritt und dieses von außen nach innen durchströmt, um danach nach Aufheizung durch die Reaktion im Katalysatorbett durch den zweiten Wärmetauscher zu strömen.According to a preferred development of the present invention, the process gas stream flows into the first and / or the second heat exchanger essentially in the radial direction and flows out of the respective heat exchanger in the axial direction. This is possible by a specific compact and space-saving design of the plate heat exchanger. Substantially axially out of the first heat exchanger effluent process gas, for example, in a space between the first catalyst bed and the second catalyst bed again flow radially outward, so that the process gas stream then enters the second catalyst bed again from radially outside and flows through this from outside to inside, thereafter to flow through the second heat exchanger after heating by the reaction in the catalyst bed.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt man einen ersten Eduktgasstrom, welcher einen Hauptgasstrom der Eduktgase darstellt, in einem unteren Bereich durch einen ersten Einlass dem Ammoniaksynthesekonverter zu, führt diesen Hauptgasstrom dann im Ammoniaksynthesekonverter in einem radial äußeren Bereich nach oben, leitet ihn dann durch den dritten Wärmetauscher und wärmt ihn so vor und führt ihn dann dem ersten Katalysatorbett zu.According to a preferred development of the process according to the invention, a first educt gas stream, which constitutes a main gas stream of the educt gases, in a lower region through a first inlet to the ammonia synthesis converter, then guides this main gas stream upwards in the ammonia synthesis converter in a radially outer region, then passes it through the third heat exchanger and so warms him and then leads him to the first catalyst bed.

Weiterhin führt man bevorzugt einen zweiten Eduktgasstrom, welcher einen verglichen mit dem Hauptgasstrom geringeren Teilgasstrom der Eduktgase darstellt, in einem mittleren Bereich durch einen zweiten Einlass dem Ammoniaksynthesekonverter zu, leitet ihn dann im Ammoniaksynthesekonverter als Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher, wärmt ihn so vor und führt ihn dann dem ersten Katalysatorbett zu. Furthermore, it is preferred to introduce a second educt gas stream, which represents a smaller partial gas stream of the educt gases compared to the main gas stream, to the ammonia synthesis converter in a central region through a second inlet, then directs it in the ammonia synthesis converter as coolant through the second heat exchanger, warming it up and leading it then him to the first catalyst bed.

Weiterhin führt man bevorzugt einen dritten Eduktgasstrom, welcher einen verglichen mit dem Hauptgasstrom geringeren Teilgasstrom der Eduktgase darstellt, in einem oberen Bereich durch einen dritten Einlass dem Ammoniaksynthesekonverter zu, leitet ihn dann im Ammoniaksynthesekonverter als Kühlmittel durch den ersten Wärmetauscher und wärmt ihn so vor und führt ihn dann dem ersten Katalysatorbett zu.Furthermore, it is preferable to introduce a third reactant gas stream, which represents a smaller partial gas stream of the educt gases compared to the main gas stream, to the ammonia synthesis converter in an upper region through a third inlet, then conduct it in the ammonia synthesis converter as coolant through the first heat exchanger, thus heating and leading it then him to the first catalyst bed.

Auf diese Weise leitet man bevorzugt wenigstens drei verschiedene Teilströme der Eduktgase in drei verschiedenen Bereichen in den Ammoniaksynthesekonverter ein und man leitet alle drei Teilströme der Eduktgase erst durch das erste Katalysatorbett, danach durch das zweite Katalysatorbett und danach durch das dritte Katalysatorbett, so dass alle Teilströme jeweils an der Reaktion in allen drei Katalysatorbetten teilnehmen.In this way, it is preferred to introduce at least three different partial streams of educt gases into the ammonia synthesis converter in three different regions and to pass all three partial streams of the educt gases first through the first catalyst bed, then through the second catalyst bed and then through the third catalyst bed, so that all partial streams each participate in the reaction in all three catalyst beds.

Die vorgenannte bevorzugte erfindungsgemäße Lösung hat aufgrund ihrer spezifischen Stromführung des Prozessgasstroms im Ammoniakkonverter einen weiteren Vorteil gegenüber vorbekannten Lösungsansätzen, bei denen ein vergleichsweise großer Anteil der kalten Eduktgase (beispielsweise in einer Größenordnung von etwa 25 % des gesamten zugeführten Eduktgasstroms) zur Abkühlung des Produktgases nach dem ersten Katalysatorbett durch direkte Zumischung (sogenannter Quench) genutzt wird. Dies hat nämlich zur Folge, dass das durch Reaktion im ersten Katalysatorbett entstandene Produktgas durch den zugeführten frischen Quenchgasstrom verdünnt wird. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, diesen Anteil des Quenchgases deutlich zu reduzieren. Die als Hauptstrom in den Ammoniaksynthesekonverter eingeleiteten frischen Eduktgase werden nun zunächst in einem Wärmetauscher indirekt vorgewärmt und nach der Vermischung mit den „kalten“ Teilströmen, die ebenfalls jeweils durch einen Wärmetauscher geleitet wurden, wird der vereinigte Prozessgasstrom dem ersten Katalysatorbett zugeführt.Due to its specific current flow of the process gas stream in the ammonia converter, the abovementioned preferred solution according to the invention has a further advantage over previously known approaches, in which a comparatively large proportion of the cold educt gases (for example of the order of about 25% of the total feed gas stream) for cooling the product gas after first catalyst bed is used by direct admixture (so-called quench). This has the consequence that the product gas formed by reaction in the first catalyst bed is diluted by the supplied fresh quench gas stream. The solution according to the invention makes it possible to significantly reduce this proportion of quenching gas. The fresh educt gases introduced as the main stream into the ammonia synthesis converter are now first indirectly preheated in a heat exchanger and after mixing with the "cold" substreams, which are also each passed through a heat exchanger, the combined process gas stream is fed to the first catalyst bed.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass man einen Teilgasstrom, den man als Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher leitet, anschließend durch die Austrittsports des Wärmetauschfluids des ersten Wärmetauschers leitet und mit dem Strom des austretenden Wärmetauschfluids des ersten Wärmtauschers vereint. Diese Maßnahme erspart Platz für weitere Zuleitungswege und verbessert darüber hinaus die Vermischung der Teilströme vor dem Eintritt des Eduktgasstroms in das erste Katalysatorbett.A further preferred embodiment of the method according to the invention provides that a partial gas stream, which is passed as a coolant through the second heat exchanger, then passes through the outlet ports of the heat exchange fluid of the first heat exchanger and combined with the flow of the exiting heat exchange fluid of the first heat exchanger. This measure saves space for additional supply lines and also improves the mixing of the partial streams before the entry of the educt gas stream into the first catalyst bed.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Ammoniaksynthesekonverter umfassend einen Druckbehälter, ein erstes ringförmig ausgebildetes Katalysatorbett in diesem Druckbehälter sowie wenigstens einen ersten diesem Katalysatorbett zugeordneten Wärmetauscher im Bereich zwischen dem ersten Katalysatorbett und einer Innenwand des Druckbehälters, weiterhin umfassend ein zweites ringförmig ausgebildetes Katalysatorbett in diesem Druckbehälter sowie wenigstens einen zweiten diesem Katalysatorbett zugeordneten Wärmetauscher im Bereich zwischen dem zweiten Katalysatorbett und einer Innenwand des Druckbehälters, wobei der erste und der zweite Wärmetauscher jeweils als Plattenwärmetauscher ausgebildet sind, wobei wenigstens ein dritter Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher in Strömungsrichtung des in den Druckbehälter einströmenden Eduktgasstroms gesehen dem ersten Katalysatorbett vorgeschaltet ist und wobei erfindungsgemäß der dritte Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.The present invention furthermore relates to an ammonia synthesis converter comprising a pressure vessel, a first annular catalyst bed in this pressure vessel and at least one first heat exchanger associated with this catalyst bed in the region between the first catalyst bed and an inner wall of the pressure vessel, further comprising a second annular catalyst bed in said pressure vessel and at least one second heat exchanger associated with this catalyst bed in the region between the second catalyst bed and an inner wall of the pressure vessel, wherein the first and the second heat exchanger are each formed as a plate heat exchanger, wherein at least a third heat exchanger is provided, which in the flow direction of the Eduktgasstroms flowing into the pressure vessel is seen upstream of the first catalyst bed and wherein according to the invention, the third heat exchanger as a plate heat auscher is formed.

Vorzugsweise umfasst der Ammoniaksynthesekonverter ein drittes Katalysatorbett, welches im Strömungsweg des Prozessgasstroms dem zweiten Katalysatorbett und dem zweiten Wärmetauscher nachgeschaltet ist.Preferably, the ammonia synthesis converter comprises a third catalyst bed, which is connected downstream of the second catalyst bed and the second heat exchanger in the flow path of the process gas stream.

Dieses dritte Katalysatorbett erstreckt sich bevorzugt im Ammoniaksynthesekonverter weiter nach radial innen als die beiden anderen Katalysatorbetten. Insbesondere ist auf der Höhe des dritten Katalyatorbettes kein weiterer Wärmetauscher vorgesehen, so dass die radiale Erstreckung des dritten Katalysatorbettes bis nahezu zur Behältermitte reichen kann und somit dieses Katalysatorbett ein größeres Volumen aufweisen kann. Eine Abkühlung in gewissem Umfang erfahren die aus dem dritten Katalysatorbett austretenden Produktgase dennoch, wenn sie, wie bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, vor dem ausströmen aus dem Konverter durch den dritten Plattenwärmetauscher geleitet werden, im Gegenstrom zu dem einströmenden Hauptgasstrom der Eduktgase, die hier vorgewärmt werden.This third catalyst bed preferably extends further in the ammonia synthesis converter radially inward than the other two catalyst beds. In particular, no further heat exchanger is provided at the level of the third catalyst bed, so that the radial extent of the third catalyst bed can reach almost to the center of the container and thus this catalyst bed can have a larger volume. Cooling to some extent, however, the product gases exiting from the third catalyst bed, if they are, as preferred in the process according to the invention, passed before flowing out of the converter through the third plate heat exchanger, in countercurrent to the incoming main gas stream of educt gases preheated here become.

Vorzugsweise ist dabei der Einlass für den Eduktgasstrom im unteren Bereich des Druckbehälters angeordnet und der dritte Wärmetauscher ist im oberen Bereich des Druckbehälters oberhalb des ersten Katalysatorbetts angeordnet. Bei dieser Konzeption werden die unten in den Konverter eintretenden Eduktgase zunächst außerhalb des Reaktorraums im Konverter nach oben geleitet und strömen dann von oben her durch den dort vorgesehenen dritten Plattenwärmetauscher, bevor sie in das erste Katalysatorbett eintreten.Preferably, the inlet for the educt gas stream is arranged in the lower region of the pressure vessel and the third heat exchanger is arranged in the upper region of the pressure vessel above the first catalyst bed. In this conception, the educt gases entering the converter are first led upwards outside the reactor space in the converter and then flow off above by the provided there third plate heat exchanger before they enter the first catalyst bed.

Vorzugsweise ist das zweite Katalysatorbett im Druckbehälter unterhalb des ersten Katalysatorbetts angeordnet und das dritte Katalysatorbett ist wiederum unterhalb des zweiten Katalysatorbetts und im unteren Bereich des Behälters angeordnet.Preferably, the second catalyst bed is disposed in the pressure vessel below the first catalyst bed, and the third catalyst bed is in turn disposed below the second catalyst bed and at the bottom of the vessel.

Vorzugsweise ist eine axiale mittige Rohrleitung oder ein axiales mittiges Rohrleitungssystem im Behälter angeordnet, in welches der Produktgasstrom nach Durchtritt durch das dritte Katalysatorbett von unten her einströmt und welches einen Auslass für einen Produktgasstrom im oberen Bereich des Behälters aufweist. Der Behälter hat so eine kompakte Bauweise. Das unten einströmende Eduktgas (bzw. dessen Hauptstrom) strömt zunächst außerhalb der Katalysatorbetten nach oben, durchströmt dann im Innenbereich alle drei Katalysatorbetten von oben nach unten und erfährt danach wiederum eine Strömungsumlenkung und strömt durch eine etwa mittige Rohrleitung von unten nach oben, wo es aus dem Konverter austritt.Preferably, an axial central pipe or an axial central piping system is arranged in the container, in which the product gas stream flows in from the bottom after passing through the third catalyst bed and which has an outlet for a product gas stream in the upper region of the container. The container has a compact design. The educt gas (or its main stream) flowing in at the bottom first flows upwards outside the catalyst beds, then flows through all three catalyst beds from top to bottom in the interior and then undergoes a flow diversion and flows through an approximately central pipeline from bottom to top, where it exits exits the converter.

Die vorgenannte axiale mittige Rohrleitung für den Produktgasstrom ist dann im oberen Bereich des Konverters und in ihrem Ausströmbereich durch den dritten Wärmetauscher hindurchgeführt, bevor sie aus dem Konverter austritt.The aforementioned axial central pipeline for the product gas stream is then passed through the third heat exchanger in the upper region of the converter and in its outflow region before it exits the converter.

Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ammoniaksynthesekonverters sieht vor, dass der dritte Wärmetauscher in einem oberen im Querschnitt verengten Bereich des Druckbehälters angeordnet ist. Diese Querschnittsverengung ist bei bestimmten Konvertertypen vorhanden und kann gemäß der Erfindung für die Unterbringung des dritten Plattenwärmetauschers genutzt werden. Die Katalysatorbetten, von denen das erste und das zweite bevorzugt jeweils einen Plattenwärmetauscher ringförmig umgeben, sich also auf gleicher axialer Höhe im Behälter befinden wie jeweils ein diesen zugeordneter Plattenwärmetauscher, benötigen mehr Raum und sind daher in dem unter der Querschnittsverengung gelegenen Bereich des Konverters angeordnet, in dem der Konverter einen größeren Querschnitt aufweist.A preferred constructional embodiment of the ammonia synthesis converter according to the invention provides that the third heat exchanger is arranged in an upper region, narrowed in cross-section, of the pressure vessel. This cross-sectional constriction is present in certain converter types and can be used according to the invention for the accommodation of the third plate heat exchanger. The catalyst beds, of which the first and the second preferably in each case surround a plate heat exchanger annular, so are at the same axial height in the container as each associated with a plate heat exchanger, require more space and are therefore located in the region located below the cross-sectional constriction of the converter, in which the converter has a larger cross-section.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Längsschnitts durch eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Ammoniaksynthesekonverters.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. Showing:
  • 1 a schematically simplified representation of a longitudinal section through one half of an ammonia synthesis according to the invention.

Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 der grundsätzliche Aufbau eines erfindungsgemäßen Ammoniaksynthesekonverters erläutert, welcher insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 benannt ist. In der Zeichnung gemäß 1 ist im Wesentlichen nur die linke Hälfte des Ammoniaksynthesekonverters 10 dargestellt. Diese umfasst einen Druckbehälter, in welchen über einen Einlass 11 im unteren Bereich des Druckbehälters ein Hauptstrom der Eduktgase Stickstoff und Wasserstoff eingeleitet werden, welche in dem Ammoniaksynthesekonverter nach dem Haber-Bosch-Verfahren zu Ammoniakgas umgesetzt werden. Dieser Hauptstrom der Eduktgase strömt in dem Druckbehälter zunächst in einem radial außen liegenden Kanal 12 in Richtung der Pfeile 13 nach oben hin. In seinem obersten Abschnitt weist der Ammoniaksynthesekonverter 10 einen verjüngten Kopfbereich 14 auf, welcher gegenüber dem gesamten darunter liegenden Bereich einen reduzierten Durchmesser aufweist. In diesem verjüngten Kopfbereich 14 ist ein dritter Plattenwärmetauscher 15 angeordnet, den das einströmende kalte Eduktgas von oben nach unten hin durchströmt, wobei der Eduktgasstrom durch im Gegenstrom durch diesen Plattenwärmetauscher 15 strömendes austretendes heißes Produktgas vorgewärmt wird. Der vorgewärmte Eduktgasstrom strömt dann nach Richtungsumkehr von oben nach unten in das Innere des Ammoniaksynthesekonverters ein, wobei der Eduktgasstrom im oberen Bereich zunächst nach radial außen geleitet wird, um dann in ein erstes Katalysatorbett 16 einzutreten. Dieses erste Katalysatorbett 16 durchströmt der Eduktgasstrom von radial außen nach radial innen hin. In diesem Katalysatorbett findet die Umsetzung der Eduktgase Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniakgas statt, wobei in der Regel keine vollständige Umsetzung erfolgt, so dass der entstehende Produktgasstrom auch noch Anteile der Eduktgase enthält.The following is first referring to 1 the basic structure of an inventive Ammoniaksynthesekonverters explained, which in total by the reference numeral 10 is named. In the drawing according to 1 is essentially only the left half of the ammonia synthesis converter 10 shown. This comprises a pressure vessel, in which via an inlet 11 in the lower region of the pressure vessel, a main stream of the educt gases nitrogen and hydrogen are introduced, which are converted in the ammonia synthesis converter according to the Haber-Bosch process to ammonia gas. This main flow of educt gases flows in the pressure vessel initially in a radially outer channel 12 in the direction of the arrows 13 upwards. In its uppermost section, the ammonia synthesis converter 10 a tapered head area 14 which has a reduced diameter compared to the entire underlying area. In this tapered head area 14 is a third plate heat exchanger 15 arranged, which flows through the incoming cold educt gas from top to bottom, wherein the Eduktgasstrom by countercurrently through this plate heat exchanger 15 Pre-heated flowing exiting hot product gas. The preheated Eduktgasstrom then flows after direction reversal from top to bottom in the interior of the ammonia synthesis converter, wherein the Eduktgasstrom is initially passed in the upper region radially outward, then into a first catalyst bed 16 enter. This first catalyst bed 16 flows through the educt gas stream from radially outside to radially inside. In this catalyst bed, the reaction of the educt gases nitrogen and hydrogen to ammonia gas takes place, which usually does not complete conversion, so that the resulting product gas stream also contains portions of the educt gases.

Nach dem Durchströmen des ersten Katalysatorbetts 16 in etwa horizontaler Strömung von radial außen nach radial innen tritt der aufgrund der exothermen Reaktion erwärmte Prozessgasstrom in einen ersten Plattenwärmetauscher 17 ein, wo eine Abkühlung erfolgt durch einen kühlenden Gasstrom, welcher im Gleichstrom (oder ggf. alternativ im Gegenstrom) zu dem Prozessgasstrom den ersten Plattenwärmetauscher durchströmt. Bei diesem kühlenden Gasstrom handelt es sich um einen von außen zugeführten kleineren Teilstrom an Eduktgasen, welcher über eine Zuleitung 18 dem ersten Plattenwärmetauscher 17 zugeführt wird. Im Verhältnis zu dem Hauptgasstrom, der über den unteren Einlass 11 in den Ammoniaksynthesekonverter gelangt, handelt es sich bei dem Teilstrom durch die Zuleitung 18 um einen prozentual geringeren Anteil der insgesamt dem Ammoniaksynthesekonverter 10 zugeführten Eduktgase. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt aber darin, dass dieser zweite geringere Teilstrom auch an der Reaktion im ersten Katalysatorbett 16 teilnimmt. Dies wird dadurch erreicht, dass man diesen Teilstrom nach dem Durchleiten durch den ersten Plattenwärmetauscher 17 radial innen in Richtung der Pfeile in etwa axialer Strömung nach oben führt, dann über dem ersten Plattenwärmetauscher 17 mit dem von oben her eintretenden Hauptgasstrom der Eduktgase vermischt und radial nach außen leitet, wo der entstandene Gesamtstrom von radial außen her das erste Katalysatorbett 16 durchströmt. Durch diese Maßnahme wird zum einen eine höhere Ausbeute an Produktgas erzielt und gleichzeitig wird eine Kühlung des durch die Reaktion in dem ersten Katalysatorbett 16 entstandenen Prozessgases erreicht.After flowing through the first catalyst bed 16 In approximately horizontal flow from radially outside to radially inside, the process gas stream heated due to the exothermic reaction enters a first plate heat exchanger 17 where cooling takes place by means of a cooling gas stream which flows through the first plate heat exchanger in cocurrent (or optionally alternatively in countercurrent) to the process gas stream. In this cooling gas stream is a supplied from the outside smaller partial flow of educt gases, which via a supply line 18 the first plate heat exchanger 17 is supplied. Relative to the main gas flow passing through the lower inlet 11 enters the ammonia synthesis converter, it is the partial flow through the supply line 18 by a percentage lower proportion of the total of the ammonia synthesis converter 10 fed educt gases. An advantage of the present invention, however, is that this second lower Partial flow also on the reaction in the first catalyst bed 16 participates. This is achieved by passing this partial flow after passing through the first plate heat exchanger 17 radially inward in the direction of the arrows in approximately axial flow leads upwards, then over the first plate heat exchanger 17 mixed with the incoming from above main gas stream of educt gases and radially outward passes, where the resulting total flow from radially outside the first catalyst bed 16 flows through. By this measure, on the one hand, a higher yield of product gas is achieved and at the same time a cooling of the by the reaction in the first catalyst bed 16 achieved process gas achieved.

Der erste Plattenwärmetauscher 17 ist konzentrisch innen zu dem ersten Katalysatorbett 16 angeordnet, so dass er von dem ringförmigen ersten Katalysatorbett ringförmig umgeben wird. Bei den in dem erfindungsgemäßen Ammoniaksynthesekonverter 10 verwendeten Plattenwärmetauschern handelt es sich um besonders platzsparende Konstruktionen mit direkter seitlicher Einströmung des heißen Gases, die das gesamte zur Verfügung stehende Volumen im Behälter ausfüllen und die eine hohe spezifische Wärmeübertragungsleistung aufweisen. Unterhalb des ersten Plattenwärmetauschers 17 ist ein entsprechend konstruierter zweiter Plattenwärmetauscher 19 angeordnet. Weiterhin befindet sich unterhalb des ersten Katalysatorbetts 16 in dem Ammoniaksynthesekonverter 10 ein zweites Katalysatorbett 20, welches wiederum den zweiten Plattenwärmetauscher 19 außen ringförmig konzentrisch umgibt.The first plate heat exchanger 17 is concentric with the first catalyst bed 16 arranged so that it is surrounded by the annular first catalyst bed annular. In the ammonia synthesis converter according to the invention 10 used plate heat exchangers are particularly space-saving constructions with direct lateral inflow of the hot gas, which fill the entire available volume in the container and have a high specific heat transfer performance. Below the first plate heat exchanger 17 is a correspondingly designed second plate heat exchanger 19 arranged. Furthermore, it is located below the first catalyst bed 16 in the ammonia synthesis converter 10 a second catalyst bed 20 which in turn is the second plate heat exchanger 19 The outer ring concentrically surrounds.

Das Prozessgas verlässt nach der Reaktion im ersten Katalysatorbett 16 und nach dem Durchströmen den ersten Plattenwärmetauscher 17 nach unten hin und strömt dann oberhalb des zweiten Katalysatorbetts 20 in Richtung des Pfeils 21 radial nach außen hin und tritt danach von radial außen her in das zweite Katalysatorbett 20 ein, in dem erneut eine Reaktion zu Ammoniakgas auftritt. Nach dem Durchströmen des zweiten Katalysatorbetts 20 gelangt der erwärmte Prozessgasstrom von radial außen her in den zweiten Plattenwärmetauscher 19 und durchströmt diesen nach radial innen hin in einer etwa horizontalen Strömung, wobei eine Abkühlung des zuvor durch die Reaktion erwärmten Prozessgases stattfindet. Zur Kühlung in diesem zweiten Plattenwärmetauscher 19 wird ein weiterer kühler Teilgasstrom von Eduktgas verwendet, welcher über eine Zuleitung 22 von außen her in den Ammoniaksynthesekonverter einströmt und dann an der Unterseite in den zweiten Plattenwärmetauscher 19 zunächst vertikal einströmt und dann nach Umlenkung horizontal diesen zweiten Plattenwärmetauscher 19 im Gleichstrom (oder ggf. alternativ im Gegenstrom) zu dem heißen Prozessgas aus dem zweiten Katalysatorbett 20 durchströmt und dann radial innenseitig in etwa axialer Richtung an dem zweiten Plattenwärmetauscher 19 und an dem ersten Plattenwärmetauscher 17 entlang nach oben hin strömt.The process gas leaves after the reaction in the first catalyst bed 16 and after flowing through the first plate heat exchanger 17 down and then flows above the second catalyst bed 20 in the direction of the arrow 21 radially outward and then enters from radially outward into the second catalyst bed 20 in which a reaction to ammonia gas occurs again. After flowing through the second catalyst bed 20 the heated process gas stream passes from radially outside into the second plate heat exchanger 19 and flows through this radially inward in an approximately horizontal flow, with a cooling of the previously heated by the reaction process gas takes place. For cooling in this second plate heat exchanger 19 Another cool partial gas flow of educt gas is used, which via a supply line 22 flows from the outside into the ammonia synthesis converter and then at the bottom in the second plate heat exchanger 19 initially flows in vertically and then after deflection horizontally this second plate heat exchanger 19 in cocurrent (or alternatively, if appropriate, in countercurrent) to the hot process gas from the second catalyst bed 20 flows through and then radially inside in an approximately axial direction at the second plate heat exchanger 19 and on the first plate heat exchanger 17 flows upwards.

Hier erkennt man einen weiteren Vorteil der erfindungsgemäßen Strömungsführung der Teilströme, da der kühlende Teilstrom aus der Zuleitung 22, der durch den zweiten Plattenwärmetauscher 19 strömt, axial im mittigen Bereich des Konverters nach oben strömt und dann direkt durch die Ports des ersten Plattenwärmetauschers 17 strömt und sich mit dem den ersten Plattenwärmetauscher verlassenden Teilstrom aus der Zuleitung 18 vermischt. Dieser vereinigte Prozessgasstrom strömt oberhalb des ersten Plattenwärmetauschers 17 in Richtung des Pfeils 23 nach radial außen und vermischt sich dann mit dem von oben her zuströmenden Hauptstrom des Eduktgases, so dass alle drei Teilströme nach Vereinigung anschließend das erste Katalysatorbett 16 von außen nach innen durchströmen und an der Reaktion im ersten Katalysatorbett 16 teilnehmen. Auch der Teilstrom, der durch die Zuleitung 22 eintritt, erfüllt somit eine zusätzliche Funktion, nämlich die Kühlung der heißen Prozessgase im zweiten Plattenwärmetauscher 19 nach der Reaktion im zweiten Katalysatorbett 20. Dennoch geht auch dieser Teilstrom bei der Umsetzung zu Ammoniakgas nicht verloren, sondern nimmt an der Reaktion in allen drei Katalysatorbetten teil, wodurch die Ausbeute der Reaktion insgesamt weiter erhöht wird.Here one recognizes a further advantage of the flow guidance according to the invention of the partial flows, since the cooling partial flow from the supply line 22 passing through the second plate heat exchanger 19 flows axially upward in the central area of the converter and then directly through the ports of the first plate heat exchanger 17 flows and with the first plate heat exchanger leaving the partial flow from the supply line 18 mixed. This combined process gas stream flows above the first plate heat exchanger 17 in the direction of the arrow 23 radially outward and then mixes with the incoming from above main stream of educt gas, so that all three partial streams after union then the first catalyst bed 16 from outside to inside and from the reaction in the first catalyst bed 16 take part. Also, the partial flow through the supply line 22 occurs, thus fulfilling an additional function, namely the cooling of the hot process gases in the second plate heat exchanger 19 after the reaction in the second catalyst bed 20 , Nevertheless, this partial stream is not lost in the conversion to ammonia gas, but participates in the reaction in all three catalyst beds, whereby the overall yield of the reaction is further increased.

Der Prozessgasstrom, der nach der Reaktion im zweiten Katalysatorbett 20 aus dem zweiten Plattenwärmetauscher 19 vertikal nach unten hin ausströmt, strömt dann in einem Zwischenraum 24 in Richtung des Pfeils 25 radial nach außen und tritt dann von außen her in ein drittes Katalysatorbett 26 ein, um dieses dann nach radial innen hin zu durchströmen. Dieses dritte Katalysatorbett 26 ist im unteren Bereich des Druckbehälters angeordnet und somit unterhalb des zweiten Katalysatorbetts 20, wobei sich jedoch das dritte Katalysatorbett 26 anders als das zweite Katalysatorbett 20 ringförmig weiter nach radial innen hin erstreckt, da innenseitig zu diesem kein Plattenwärmetauscher angeordnet ist. Nach dem Durchströmen des dritten Katalysatorbetts 26 tritt das Produktgas an diesem radial innenseitig aus und strömt dann in Richtung der Pfeile 27 axial nach oben hin, um dann in einem mittig axial im Ammoniaksynthesekonverter angeordneten Strömungskanal 28 vertikal nach oben hin zu strömen. Im oberen Endbereich des Ammoniaksynthesekonverters 10 durchströmt das heiße Produktgas dann etwa vertikal von unten nach oben den dritten Plattenwärmetauscher 15, der sich in dem verjüngten Kopfbereich 14 des Ammoniaksynthesekonverters 10 befindet. Somit strömt dieses heiße Produktgas bevor es den Druckbehälter verlässt in dem dritten Plattenwärmetauscher im Gegenstrom zu dem in den Druckbehälter einströmenden kalten Hauptstrom des Eduktgases und erwärmt diesen.The process gas stream after the reaction in the second catalyst bed 20 from the second plate heat exchanger 19 flows vertically downwards, then flows in a gap 24 in the direction of the arrow 25 radially outward and then enters from the outside in a third catalyst bed 26 in order to then flow through this radially inward. This third catalyst bed 26 is arranged in the lower region of the pressure vessel and thus below the second catalyst bed 20 but with the third catalyst bed 26 unlike the second catalyst bed 20 extends annularly further radially inward because inside no plate heat exchanger is arranged for this. After flowing through the third catalyst bed 26 the product gas exits at this radially inside and then flows in the direction of the arrows 27 axially upward, and then in a centrally axially arranged in the ammonia synthesis converter flow channel 28 to flow vertically upwards. In the upper end of the ammonia synthesis converter 10 The hot product gas then flows through the third plate heat exchanger approximately vertically from bottom to top 15 who is in the rejuvenated head area 14 of the ammonia synthesis converter 10 located. Thus, this hot product gas before it leaves the pressure vessel flows in the third plate heat exchanger in countercurrent to that in the Pressure vessel inflowing cold main flow of educt gas and heats this.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
AmmoniaksynthesekonverterAmmonia synthesis converter
1111
Einlass untenInlet below
1212
Kanalchannel
1313
Pfeilearrows
1414
verjüngter Kopfbereichtapered head area
1515
dritter Plattenwärmetauscherthird plate heat exchanger
1616
erstes Katalysatorbettfirst catalyst bed
1717
erster Plattenwärmetauscherfirst plate heat exchanger
1818
Zuleitungsupply
1919
zweiter Plattenwärmetauschersecond plate heat exchanger
2020
zweites Katalysatorbettsecond catalyst bed
2121
Pfeilarrow
2222
Zuleitungsupply
2323
Pfeilarrow
2424
Zwischenraumgap
2525
Pfeilarrow
2626
drittes Katalysatorbettthird catalyst bed
2727
Pfeilarrow
2828
mittiger Strömungskanalcentral flow channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7780925 B2 [0003, 0004]US 7780925 B2 [0003, 0004]
  • DE 2016114713 [0013]DE 2016114713 [0013]

Claims (19)

Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter (10), bei dem man einen Eduktgasstrom zunächst durch ein erstes Katalysatorbett (16) leitet, in dem eine Reaktion der Eduktgase stattfindet, wobei dem ersten Katalysatorbett ein Wärmetauscher (17) zugeordnet ist und man danach den Prozessgasstrom durch ein zweites Katalysatorbett (20) leitet, in dem eine weitere Reaktion der Eduktgase stattfindet, wobei dem zweiten Katalysatorbett ein weiterer Wärmetauscher (19) zugeordnet ist, wobei man den Eduktgasstrom dem Ammoniaksynthesekonverter in mindestens zwei Teilströmen über voneinander getrennte Einlässe zuführt, um die Temperatur der Prozessgasströme im Ammoniaksynthesekonverter zu beeinflussen und wobei man mindestens einen Teilstrom der Eduktgase als Kühlmedium durch einen der Wärmetauscher strömen lässt, um einen indirekten Wärmetausch mit einem den Wärmetauscher durchströmenden durch die Reaktion aufgeheizten Prozessgasstrom zu bewirken, bevor dieser Teilstrom mit einem anderen oder ggf. mehreren anderen Teilströmen der Eduktgase vereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man den aus dem Wärmetauscher (19) nach dem zweiten Katalysatorbett (20) ausströmenden Prozessgasstrom anschließend durch ein drittes Katalysatorbett (26) leitet.Process for the preparation of ammonia in an ammonia synthesis converter (10), in which a feed gas stream first passes through a first catalyst bed (16), in which a reaction of the educt gases takes place, the first catalyst bed is associated with a heat exchanger (17) and then the Process gas stream passes through a second catalyst bed (20), in which a further reaction of the educt gases takes place, the second catalyst bed is associated with a further heat exchanger (19), wherein the Eduktgasstrom the ammonia synthesis converter in at least two partial streams via separate inlets supplies to the Temperature of the process gas streams in the ammonia synthesis converter to influence and wherein at least a partial stream of educt gases as cooling medium flow through one of the heat exchangers to effect an indirect heat exchange with a heat exchanger flowing through the reaction heated process gas stream before the this partial stream is combined with another or possibly several other partial streams of the educt gases, characterized in that the process gas stream flowing out of the heat exchanger (19) to the second catalyst bed (20) is subsequently passed through a third catalyst bed (26). Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Eduktgasstrom in einem dritten Wärmetauscher (15) vorwärmt, bevor der Eduktgasstrom durch das erste Katalysatorbett (16) geleitet wird, wobei der dritte Wärmetauscher (15) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to Claim 1 , characterized in that preheating a Eduktgasstrom in a third heat exchanger (15) before the Eduktgasstrom is passed through the first catalyst bed (16), wherein the third heat exchanger (15) is designed as a plate heat exchanger. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom zunächst das erste Katalysatorbett (16) im Wesentlichen in radialer Richtung vollständig durchströmt und danach einen diesem Katalysatorbett zugeordneten ersten Wärmetauscher (17) durchströmt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to Claim 1 or 2 , characterized in that the process gas stream first flows through the first catalyst bed (16) substantially completely in the radial direction and then flows through a first heat exchanger (17) assigned to this catalyst bed. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom in den ersten Wärmetauscher (17) im Wesentlichen in radialer Richtung einströmt und in axialer Richtung aus dem ersten Wärmetauscher (17) ausströmt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to Claim 3 , characterized in that the process gas stream flows into the first heat exchanger (17) substantially in the radial direction and flows out in the axial direction from the first heat exchanger (17). Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom zunächst das zweite Katalysatorbett (20) im Wesentlichen in radialer Richtung vollständig durchströmt und danach einen diesem Katalysatorbett zugeordneten zweiten Wärmetauscher (19) durchströmt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that the process gas stream first flows through the second catalyst bed (20) substantially completely in the radial direction and then flows through a second heat exchanger (19) assigned to this catalyst bed. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasstrom in den zweiten Wärmetauscher (19) im Wesentlichen in radialer Richtung einströmt und in axialer Richtung aus dem zweiten Wärmetauscher (19) ausströmt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the process gas stream flows into the second heat exchanger (19) essentially in the radial direction and flows out in the axial direction from the second heat exchanger (19). Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man einen ersten Eduktgasstrom, welcher einen Hauptgasstrom der Eduktgase darstellt, in einem unteren Bereich durch einen ersten Einlass (11) dem Ammoniaksynthesekonverter (10) zuführt, dann im Ammoniaksynthesekonverter in einem radial äußeren Bereich nach oben führt, dann durch den dritten Wärmetauscher (15) leitet und vorwärmt und dann dem ersten Katalysatorbett (16) zuführt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to one of the Claims 2 to 6 characterized in that a first feed gas stream, which is a main gas stream of educt gases, is fed to the ammonia synthesis converter (10) in a lower region through a first inlet (11), then upwardly in a radially outer region in the ammonia synthesis converter, then through the third heat exchanger (15) passes and preheats and then the first catalyst bed (16) feeds. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man einen zweiten Eduktgasstrom, welcher einen verglichen mit dem Hauptgasstrom geringeren Teilgasstrom der Eduktgase darstellt, in einem mittleren Bereich durch einen zweiten Einlass (22) dem Ammoniaksynthesekonverter (10) zuführt, dann im Ammoniaksynthesekonverter als Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher (19) leitet und vorwärmt und dann dem ersten Katalysatorbett (16) zuführt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that a second reactant gas stream, which represents a lower partial gas stream of the educt gases compared to the main gas stream, in a central region through a second inlet (22) the ammonia synthesis converter (10), then in the ammonia synthesis converter as a coolant through the second heat exchanger ( 19) conducts and preheats and then the first catalyst bed (16) feeds. Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in einem Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man einen dritten Eduktgasstrom, welcher einen verglichen mit dem Hauptgasstrom geringeren Teilgasstrom der Eduktgase darstellt, in einem oberen Bereich durch einen dritten Einlass (18) dem Ammoniaksynthesekonverter (10) zuführt, dann im Ammoniaksynthesekonverter als Kühlmittel durch den ersten Wärmetauscher (17) leitet und vorwärmt und dann dem ersten Katalysatorbett (16) zuführt.Process for the production of ammonia in an ammonia synthesis converter according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that a third Eduktgasstrom, which represents a lower compared to the main gas flow partial gas flow of educt gases in an upper region through a third inlet (18) the ammonia synthesis converter (10), then in the ammonia synthesis converter as a coolant through the first heat exchanger ( 17) and preheats and then the first catalyst bed (16) feeds. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass man alle drei Teilströme der Eduktgase erst durch das erste Katalysatorbett (16), danach durch das zweite Katalysatorbett (20) und danach durch das dritte Katalysatorbett (26) leitet.Method according to Claim 9 characterized in that one passes all three partial streams of the educt gases first through the first catalyst bed (16), then through the second catalyst bed (20) and then through the third catalyst bed (26). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teilgasstrom, den man als Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher (19) leitet, anschließend durch die Austrittsports des Wärmetauschfluids des ersten Wärmetauschers (17) leitet und mit dem Strom des austretenden Wärmetauschfluids des ersten Wärmtauschers (17) vereint.Method according to one of Claims 8 to 10 , characterized in that one passes a partial gas flow, which is passed as a coolant through the second heat exchanger (19), then through the outlet ports of the heat exchange fluid of the first heat exchanger (17) and with the flow of exiting heat exchange fluid of the first heat exchanger (17) united. Ammoniaksynthesekonverter umfassend einen Druckbehälter, ein erstes ringförmig ausgebildetes Katalysatorbett in diesem Druckbehälter sowie wenigstens einen ersten diesem Katalysatorbett zugeordneten Wärmetauscher im Bereich zwischen dem ersten Katalysatorbett und einer Innenwand des Druckbehälters, weiterhin umfassend ein zweites ringförmig ausgebildetes Katalysatorbett in diesem Druckbehälter sowie wenigstens einen zweiten diesem Katalysatorbett zugeordneten Wärmetauscher im Bereich zwischen dem zweiten Katalysatorbett und einer Innenwand des Druckbehälters, wobei der erste und der zweite Wärmetauscher jeweils als Plattenwärmetauscher ausgebildet sind, wobei wenigstens ein dritter Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher in Strömungsrichtung des in den Druckbehälter einströmenden Eduktgasstroms gesehen dem ersten Katalysatorbett vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (15) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.Ammonia synthesis converter comprising a pressure vessel, a first annular catalyst bed formed in this pressure vessel and at least one first associated with this catalyst bed heat exchanger in the region between the first catalyst bed and an inner wall of the pressure vessel, further comprising a second annular catalyst bed formed in this pressure vessel and at least one second associated with this catalyst bed Heat exchangers in the region between the second catalyst bed and an inner wall of the pressure vessel, wherein the first and the second heat exchanger are each formed as a plate heat exchanger, wherein at least a third heat exchanger is provided, which is seen upstream of the first catalyst bed in the flow direction of the educt gas stream flowing into the pressure vessel, characterized in that the third heat exchanger (15) is designed as a plate heat exchanger. Ammoniaksynthesekonverter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein drittes Katalysatorbett (26) umfasst, welches im Strömungsweg des Prozessgasstroms dem zweiten Katalysatorbett (20) und dem zweiten Wärmetauscher (19) nachgeschaltet ist.Ammonia synthesis converter after Claim 12 , characterized in that it comprises a third catalyst bed (26), which is connected downstream of the second catalyst bed (20) and the second heat exchanger (19) in the flow path of the process gas stream. Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (11) für den Eduktgasstrom im unteren Bereich des Druckbehälters angeordnet ist und der dritte Wärmetauscher (15) im oberen Bereich des Druckbehälters oberhalb des ersten Katalysatorbetts (16) angeordnet ist.Ammonia synthesis converter according to one of Claims 12 or 13 , characterized in that the inlet (11) is arranged for the Eduktgasstrom in the lower region of the pressure vessel and the third heat exchanger (15) in the upper region of the pressure vessel above the first catalyst bed (16) is arranged. Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Katalysatorbett (20) im Druckbehälter unterhalb des ersten Katalysatorbetts (16) angeordnet ist und das dritte Katalysatorbett (26) unterhalb des zweiten Katalysatorbetts (20) und im unteren Bereich des Behälters angeordnet ist.Ammonia synthesis converter according to one of Claims 12 to 14 characterized in that the second catalyst bed (20) is disposed in the pressure vessel below the first catalyst bed (16) and the third catalyst bed (26) is located below the second catalyst bed (20) and at the bottom of the vessel. Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale mittige Rohrleitung (28) oder ein axiales mittiges Rohrleitungssystem im Behälter angeordnet ist, in welches der Produktgasstrom nach Durchtritt durch das dritte Katalysatorbett (26) von unten her einströmt und welches einen Auslass für einen Produktgasstrom im oberen Bereich des Behälters aufweist.Ammonia synthesis converter according to one of Claims 12 to 15 characterized in that an axial central conduit (28) or an axial central conduit system is disposed in the vessel into which the product gas stream, after passing through the third catalyst bed (26), flows from below and which provides an outlet for a product gas stream in the upper region of the Container has. Ammoniaksynthesekonverter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale mittige Rohrleitung (28) für den Produktgasstrom in ihrem Ausströmbereich durch den dritten Wärmetauscher (15) hindurchgeführt ist.Ammonia synthesis converter after Claim 16 , characterized in that the axial central pipe (28) for the product gas stream in its outflow region is passed through the third heat exchanger (15). Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (15) in einem oberen im Querschnitt verengten Bereich des Druckbehälters angeordnet ist.Ammonia synthesis converter according to one of Claims 12 to 17 , characterized in that the third heat exchanger (15) is arranged in an upper narrowed in cross-section region of the pressure vessel. Ammoniaksynthesekonverter nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich das dritte Katalysatorbett (26) sich in radialer Ausdehnung weiter zur Mitte des Behälters hin erstreckt als das erste Katalysatorbett (16) und/oder das zweite Katalysatorbett (20).Ammonia synthesis converter according to one of Claims 12 to 18 characterized in that the third catalyst bed (26) extends radially further toward the center of the container than the first catalyst bed (16) and / or the second catalyst bed (20).
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