DE10232970A1 - Verfahren zur Synthese von Ammoniak - Google Patents

Verfahren zur Synthese von Ammoniak

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DE10232970A1
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Abstract

Verfahren zur Synthese von Ammoniak, das von einem Gemisch aus H¶2¶ und N¶2¶ ausgeht, das in Gegenwart eines Katalysators umgesetzt wird, wobei das Gemisch der Gase mit Hilfe eines katalytischen Teiloxidationsverfahrens bei einer niedrigen Kontaktzeit erhalten wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak, ausgehend von einem Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff, die in Gegenwart eines geeigneten katalytischen Systems umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch von Gasen mit Hilfe eines Teiloxidationsverfahrens bei einer niedrigen Kontaktzeit erhalten wird.
  • Das Gemisch von H2 und N2 für die Synthese von Ammoniak wird durch chemische, nicht-katalytische Teiloxidations- (PO) Verfahren von hochsiedenden Kohlenwasserstoffen (Falsetti, J. S., Hydrocarbon Technology International, 1993, Seite 57) oder kombinierte Dampfreforming- (SR) oder autothermale Reforming- (ATR) Verfahren hergestellt.
  • Die letzteren sind bevorzugt, wenn Kohlenwasserstoff-Beschickungen, die aus Erdgas oder Naphtha bestehen, verwendet werden (Rostrup-Nielsen, J. R. "Catalytic Steam Reforming", in Catalysis Science and Technology, J. R. Anderson, M. Boudart Hrsg. Band 5, Springer, Berlin 1988, Seite 1, und T. S. Christensen I. I. Primdahl, Hydrocarbon Processing, März 1994, Seite 39).
  • Das PO wird in einer Verbrennungskammer ausgeführt, in der Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff durch einen Brenner transportiert werden. Das Vermischen findet bei einer Temperatur statt, bei der Flammenreaktionen aktiviert werden, welche zur Bildung von H2, CO, CO2, H2O und Nebenprodukten, die aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen bestehen, führen. Diese werden durch die Zersetzung von Kohlenwasserstoff-Beschickung gebildet und werden aus dem Synthesegas abgetrennt und in einigen Fällen in den Brenner erneut eingespeist.
  • Die PO-Technologie bezieht sich auf die Verwendung eines oxidierenden Stroms von reinem Sauerstoff oder einem, der geringe Prozentsätze von Stickstoff enthält, um die Bildung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen zu vermindern.
  • Die Komplexität der Waschvorgänge des Synthesegases und der relativ niedrige Wirkungsgrad der thermischen Gewinnungsvorgängen (der den Reaktor verlassende Strom hat eine Temperatur von etwa 1400°C) sind die Hauptnachteile eines PO, welches jedoch das einzige Verfahren darstellt, bei dem hochsiedende Kohlenwasserstoff-Beschickungen zur Erzeugung von Wasserstoff einsetzt werden können.
  • Die Verwendung von PO in Syntheseverfahren von Ammoniak umfasst die nachstehenden einheitlichen Vorgänge: a) Trennung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff, b) nicht-katalytische Teiloxidation der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff, c) Entfernung der kohlenstoffhaltigen Rückstände und Wärmerückgewinnung aus dem Gemisch von Produkten, d) Entfernung von sulfurierten Verbindungen, e) Umwandlung von Kohlenmonoxid in Wasserstoff durch die Wassergas-Verschiebungsreaktion (WGS), f) Entfernung des CO2, g) Waschen des restlichen CO mit flüssigem Stickstoff, h) Vermischen des Wasserstoffs und Stickstoffs und Schicken des Gemisches zu dem Ammoniaksyntheseabschnitt.
  • Die Verwendung von kombiniertem SR- und ATR-Verfahren bezüglich PO ist viel verbreiteter.
  • Wie bereits erwähnt, wird diese Lösung vorzugsweise übernommen, wenn eine Kohlenwasserstoff-Beschickung, die aus Erdgas oder Naphtha besteht, verfügbar ist, und diese Bedingungen werden in den meisten Ammoniak-Herstellungsanlagen verwirklicht.
  • SR- und ATR-Verfahren sind katalytisch, sie erlauben eine beträchtliche Energieeffizienz und erfordern nicht die Verwendung von Luftfraktionierungsanlagen.
  • Insbesondere nutzt SR eine stark endotherme Reaktion zwischen den Kohlenwasserstoffen und Dampf, die im Fall von Methan durch die Gleichung wiedergegeben werden kann:

    CH4 + H2O = CO + 3 H2 (ΔH° = +206 kJ/Mol)

  • Die für die Reaktion erforderliche Wärme wird in einem Ofen erzeugt, in dem mit Katalysator gefüllte Reforming- Röhren eingebaut sind, die durch Bestrahlung erhitzt werden. Der Konvektionsabschnitt des Reformingofens wird zum Zuführen der notwendigen Wärme für die Erzeugung von Dampf und Vorerhitzen einiger Ströme von dem Ammoniak-Syntheseverfahren angewendet.
  • ATR behandelt den Strom, der den SR-Schritt verlässt, und vervollständigt die Methanumwandlung durch Bewirkung von Verbrennungsreaktionen mit Luft, gefolgt von SR- und WGS- Reaktionen. Insbesondere werden ein Brenner und eine Verbrennungskammer am Einlass des ATR positioniert, an dem Reaktionen in gasförmiger homogener Phase zwischen den SR-Abströmen und dem Sauerstoff der Luft stattfinden. Nach der Verbrennungskammer gelangt das Produktgemisch durch ein katalytisches Bett, in dem weitere SR- und WGS-Reaktionen stattfinden.
  • Die Reaktionen, die in dem ATR stattfinden, können in dem Fall von Methan durch die nachstehenden Gleichungen wiedergegeben werden:

    CH4 + 3/2 O2 = CO + 2 H2O; (ΔH° = -519 kJ/Mol)

    was in der Verbrennungskammer stattfindet

    CH4 + H2O = CO + 3 H2O; (ΔH° = +206 kJ/Mol)

    H2O + CO = CO2 + H2; (ΔH° = -41 kJ/Mol)

    welche in der nach der Verbrennungszone angeordneten katalytischen Zone stattfinden.
  • Das Vorliegen des Brenners und der Verbrennungskammer führt zu Begrenzungen hinsichtlich der Zusammensetzung des Reagenzstroms; insbesondere Begrenzungen, die die Dampf/Kohlenstoff-Verhältnisse und das Vorliegen von Stickstoff in dem oxidierenden Gemisch betreffen.
  • Bei niedrigen Dampf/Kohlenstoff-Verhältnissen, oder wenn Luft oder Luft, angereichert mit wesentlichen Mengen N2, verwendet wird, gibt es tatsächlich die Bildung von kohlenstoffhaltigen Rückständen, die nicht von der ATR-Technologie toleriert werden können.
  • Das Vorliegen von kohlenstoffhaltigen Rückständen kann die Desaktivierung des Katalysators unterhalb der Verbrennungskammer verursachen und die Verwendung eines Reinigungssystems des Synthesegases, das zu jenem analog ist, welches in der PO-Technologie übernommen wurde, erfordern; wobei dies wiederum eine Verminderung der Energieeffizienz des Verfahrens verursachen kann.
  • Aus diesem Grund behandelt das ATR nicht direkt einen oxidierenden Strom von Kohlenwasserstoffen und Luft oder angereicherter Luft, sondern wird als Sekundärreformer nach der SR-Anlage eingesetzt.
  • In diesem Fall werden die Beschränkungen hinsichtlich des Vorliegens von Stickstoff und Dampf beim Zuführen überwunden, da das Reagenzgemisch beträchtliche Mengen H2, CO, H2O und CO2 und verminderte Mengen an niedrig siedenden Kohlenwasserstoffen, meist bestehend aus nicht umgesetztem CH4, enthält.
  • In dem Fall der Anwendung von SR- und ATR-Verfahren umfasst die Folge von Ammoniak-Synthesevorgängen:
    a) ein primäres SR aus der entschwefelten Kohlenwasserstoff-Beschickung, b) ein sekundäres ATR aus dem Strom, der das primäre Reforming unter Verwendung von Luft als Oxidationsgemisch verlässt, c) katalytische Umwandlung des Kohlenmonoxids in Wasserstoff durch WGS-Reaktion, d) Entfernung des CO2, e) Methanierung zum Entfernen der letzten Spuren an CO und CO2, f) Schicken des H2- und N2-Gemisches zu dem Ammoniaksyntheseabschnitt.
  • Die SR+ATR-Technologie ist die bei weitem meist verwendete Technologie bei der Herstellung von Ammoniak.
  • Die Erfindung betrifft gemäß der nachstehenden Patentbeschreibung ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, wobei das Gemisch von Wasserstoff und Stickstoff unter Verwendung eines katalytischen Teiloxidationsverfahrens (CPO) bei einer niedrigen Kontaktzeit erhalten wird, dessen Ausführungsform nachstehend durch einige spezielle Folgen von Arbeitsschritten, die jedoch nicht den Umfang der Erfindung begrenzen, erläutert wird.
  • Wesentliche Unterschiede bezüglich des Standes der Technik sind die Möglichkeit des Bewirkens der Synthese von Ammoniak unter Vermeiden des Zurückführens von Stickstoff oder Bewirken von katalytischer Teiloxidation, kombiniert mit einem ATR-Schritt.
  • Das CPO-Verfahren wird unter Verwendung von vorgemischten Luftströmen oder angereicherter Luft und Kohlenwasserstoffen ausgeführt und erfordert nicht das Vorliegen einer SR-Einheit.
  • Das CPO-Verfahren ist vollständig katalytisch und wird in einem Reaktor bewirkt, in dem es weder einen Brenner noch eine Verbrennungskammer gibt.
  • Das CPO-Verfahren findet bei hohen Raumgeschwindigkeiten im Bereich von 10 000 bis 1 000 000 h-1 und vorzugsweise 50 000 bis 500 000 h-1 statt und führt vorwiegend zu der direkten Erzeugung von CO und H2 gemäß der Reaktion [1] ohne die Zwischenproduktbildung von CO2 und H2O.

    CH4 + S O2 = CO + 2 H2; ΔH° = -35, 6 kJ/Mol [1]

    CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O; ΔH° = -801, 5 kJ/Mol [2]
  • Auf diese Weise werden Temperaturspitzen, die mit den Totalverbrennungsreaktionen von Kohlenwasserstoffen verbunden sind, und auch die Bedingungen, bei denen PO- und ATR- Technologien die Bildung von kohlenstoffhaltigen Rückständen oder Vorstufen von kohlenstoffhaltigen Rückständen verursachen, vermieden.
  • Die Beschränkungen der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches bezüglich des Vorliegens von Dampf und die Notwendigkeit der Anwendung von reinem Sauerstoff oder stark angereicherter Luft als Oxidationsmittel werden auch vermieden. Herstellungsverfahren von Synthesegas mit hoher Raumgeschwindigkeit sind der Gegenstand von zahlreichen wissenschaftlichen und Patentveröffentlichungen.
  • Der positive Einfluss der durch die niedrige Kontaktzeit bei den Reaktionen für die Herstellung von Synthesegas erzeugten Bedingungen wurde anfänglich von D. A. Hickmann und L. D. Schmidt (Science 1993, 259, 343) und V. R. Choudari A. S. Mamman, S. D. Sansare (Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1992, 31, 1189) und kürzlicher von L. Basini, K. Aasberg, A. Guarinoni, M. Ostberg (Catalysis Today 2001, 64, 9) angeführt.
  • Auf dem Patentgebiet beschreibt US 5 856 585 ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas mit einer niedrigen Kontaktzeit, integriert mit Fischer-Tropsch-Syntheseverfahren, Syntheseverfahren von Methanol und Dimethylether. Das Patent beansprucht auch Verfahrensbedingungen, die direkt zu der gleichzeitigen Bildung von Formaldehyd und Synthesegas führen.
  • WO 97/37929 beschreibt einen Reaktor zum Bewirken von Reaktionen mit einer niedrigen Kontaktzeit für die Herstellung von Synthesegas aus Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff oder Luft mit einer verjüngten Geometrie, geeignet zum Verhindern der Ausbreitung von heterogenen Reaktionen in dem Strom der vorgemischten Reagenzien unter Hochdruckbedingungen.
  • US 5 648 582 beansprucht ein katalytisches Teiloxidationsverfahren mit einer niedrigen Kontaktzeit unter Verwendung von Katalysatoren, die aus keramischen Monolithen bestehen, auf welchen Edelmetalle oder Nickel abgeschieden sind.
  • US 5 654 491 erweitert die Reaktivitätseigenschaften, die in den früheren Patenten für metallische Katalysatoren beansprucht werden mit einer Transparenz von mindestens 40%, wobei die zitierten metallischen Katalysatoren typischerweise aus Pt-Rh-Netzwerken bestehen.
  • WO 00/00425 und WO 00/00426 beanspruchen ein CPO- Verfahren, in dem zwei Schichten von Katalysatoren vorliegen. Die erste Schicht besteht aus Katalysatoren, die Rh enthalten, die zweite Schicht weist Katalysatoren auf, die Ir, Os oder Pt enthalten.
  • WO 01/32556 ist ein Patent, das auf die geometrischen Eigenschaften der Katalysatorteilchen gerichtet ist, und beansprucht ein CPO-Verfahren, in dem der Träger ein Oberflächen/Volumen-Verhältnis im Bereich von 15 bis 230 cml und einen Durchmesser im Bereich von 200 bis 2000 Mikrometer aufweist.
  • Dieses Dokument betrifft CPO-Verfahren mit einer niedrigen Kontaktzeit, das mit dem Syntheseabschnitt von Ammoniak eng integriert ist und auf dem experimentellen Befund basiert, dass diese CPO-Verfahren die Verwendung von Luft oder angereicherter Luft erlauben, jedoch beträchtliche Prozentsätze an Stickstoff enthalten ohne das Erzeugen von kohlenstoffhaltigen Rückständen auch in Abwesenheit von Dampf und mit O2/C-Verhältnissen in der Beschickung im Bereich von 0,15 bis 0,75 Volumen/Volumen.
  • Diese Eigenschaften der Produktionsverfahren von Synthesegas und Wasserstoff mit Hilfe von CPO ermöglichen die Definition der in Fig. 1-4 wiedergegebenen Herstellungsschemata, die, wie bereits erwähnt, zum Erläutern des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden, welches aufgrund seiner Natur dadurch allerdings nicht beschränkt ist.
  • In einem ersten Schema, erläutert in Fig. 1, wird das Gas, bestehend aus H2 und N2, welches für die Synthese von Ammoniak notwendig ist, aus Luft und Kohlenwasserstoffen und Dampf in einem einzigen CPO-Reaktor bei einer niedrigen Kontaktzeit erzeugt. Das bei der Synthese von Ammoniak verwendete H2/N2-Verhältnis wird durch Abtrennen des nichtumgesetzten H2 aus dem Gemisch der Reaktionsprodukte erreicht. Diese Abtrennung kann mit einem Hohlfasertrennsystem oder mit Hilfe von PSA oder Trennungen, die kryogene Verfahren oder andere Systeme anwenden, stromabwärts des Ammoniaksynthesereaktors und Zurückführen zu dem Strom der Reagenzien stromabwärts der WGS-Reaktoren, erzielt werden.
  • Insbesondere wird gemäß dem Schema von Fig. 1 ein Luftstrom 1 in 2 bei Drücken im Bereich von 10 bis 80 kg/cm2 und vorzugsweise bei Drücken im Bereich von 20 bis 50 kg/cm2 verdichtet und in den Einlasszonen des CPO-Reaktors 3 mit einem Strom von entschwefeltem Erdgas 4 und bei dem gleichen Druck vermischt. Die zwei Ströme werden bei 5 und 6 bei Temperaturen im Bereich von 25 bis 400°C, vorzugsweise 100 bis 300°C vorerhitzt. Die O2/C-Verhältnisse in der Beschickung liegen im Bereich von 0,5 bis 0,75 und vorzugsweise 0,60 bis 0,75 Volumen/Volumen. Der Strom am Einlass des CPO-Reaktors 10 kann auch Dampf 8, zugegeben in 9, selbst wenn sein Vorliegen nicht notwendig ist, enthalten. Der durch den CPO-Reaktor erzeugte Synthesegasstrom hat eine Temperatur im Bereich von 700 bis 1200°C und vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1100°C und wird auf Temperaturen im Bereich von 200 bis 500°C und vorzugsweise von 300 bis 400°C in den Tauschern 5, 6 und 7 gekühlt und mit einem Dampfstrom 12 in einem Mischer 11 vermischt. Nach dem Vermischen wird der Synthesegasstrom, der ein Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis im Bereich von 1,5 zu 4, vorzugsweise im Bereich von 2 zu 3,5 Volumen/Volumen enthält, in den ersten WGS-Reaktor 13 gespeist. Die Temperatur des Luftstroms am Auslass des WGS-Reaktors 13 wird in 14 auf Werte im Bereich von 50 bis 300°C und vorzugsweise 100 bis 250°C gekühlt und wird in einen zweiten WGS-Reaktor 15 gespeist, welcher dem CO-Prozentsatz erlaubt, auf Werte typischerweise unter 0,3% Volumen/Volumen vermindert zu werden. Der den WGS- Reaktor 15 verlassende Strom wird dann in 16 gekühlt und nach Kondensation und Abtrennung des Dampfes in 17 zu dem Trennabschnitt von CO2 (Decarbonierung) 18 und anschließend zu einem Methanierungsschritt 19, der weiterhin den CO-Gehalt auf Werte unter 2 ppm vermindert, gesendet. Das Gas enthält nun H2 und N2 in Verhältnissen im Bereich von 0,75 bis 1,2 Volumen/Volumen und Ar-Prozentsätze unter 0,8% und wird mit H2 in 20 vermischt. Das H2 kommt aus dem Syntheseabschnitt 22 und dem Ammoniakabtrennungsabschnitt 23 und wird in N2, CH4 und Ar in 24 getrennt. Nach dem Vermischen wird das Gas, das ein H2/N2-Verhältnis im Bereich von 1,5 zu 3,5 und vorzugsweise 2 zu 3 aufweist, in 21 bei Drücken im Bereich von 50 bis 500 kg/cm2 und vorzugsweise 100 bis 400 kg/cm2 verdichtet und zu dem in dem Quadrat 22 wiedergegebenen Ammoniaksyntheseabschnitt gesendet. Das Hochdruckgemisch von N2, CH4 und Ar, das aus dem Trennsystem 24 kommt, wird in dem Tauscher 25erhitzt und in 26 bei Drücken im Bereich von 20 bis 40 ATM expandiert, wobei Energie zurückgewonnen wird. Wenn der Strom wesentliche Methanrückstände enthält, kann er in 27 mit verdichteter Luft in 28 verbrannt werden und in 29 zur Wiedergewinnung von Energie weiter expandiert werden.
  • In einem zweiten, in Fig. 2 erläuterten Schema werden vorgemischte Ströme von Kohlenwasserstoffen und angereicherter Luft verwendet.
  • Die Luftanreicherung kann durch sowohl Vermischen von reinem Sauerstoff mit angereicherter Luft und auch unter Verwendung von Luftanreicherungssystemen, wie jenen, beschrieben in EP 0636845A1 und US 6 247 333 B1, bewirkt werden.
  • In diesem zweiten Verfahrensschema wird das H2/N2 -Verhältnis in der Zuführung zu dem Ammoniaksyntheseabschnitt durch das O2/N2-Verhältnis des angereicherten Stroms, O2/C- und S/C-Verhältnis am Einlass des CPO-Reaktors definiert.
  • Insbesondere mit Bezug auf Fig. 2 wird ein Strom von angereicherter Luft 1 mit Sauerstoffprozentsätzen im Bereich von 21 bis 95% und vorzugsweise 30 bis 80% in 2 bei Drücken im Bereich von 10 bis 100 kg/cm2 und vorzugsweise bei Drücken im Bereich von 20 bis 80 kg/cm2 komprimiert und in den Einlasszonen des CPO-Reaktors 3 mit einem Strom von entschwefeltem Erdgas 4 und bei dem gleichen Druck vermischt. Die zwei Ströme werden bei 5 und 6 bei Temperaturen im Bereich von 25 bis 400°C, vorzugsweise 100 bis 300°C, vorerhitzt. Die O2/C- Verhältnisse in der Zuführung liegen im Bereich von 0,5 bis 0,75 und vorzugsweise 0,65 bis 0,75 Volumen/Volumen. Der Strom am Einlass des CPO-Reaktors 10 kann auch Dampf 8, zugegeben in 9, selbst wenn sein Vorliegen nicht notwendig ist, enthalten. Der Strom des durch den CPO-Reaktor erzeugten Synthesegases hat eine Temperatur im Bereich von 700 bis 1200°C und vorzugsweise im Bereich von 800 bis 1100°C und wird auf Temperaturen im Bereich von 200 bis 500°C und vorzugsweise 300 bis 400°C in den Tauschern 5, 6 und 7 gekühlt und mit einem Dampfstrom 12 in einem Mischer 11 vermischt. Nach dem Mischen wird der Strom von Synthesegas, das ein Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis im Bereich von 1,5 zu 4, vorzugsweise im Bereich von 2 zu 3,5 Volumen/Volumen, enthält, in einen ersten WGS-Reaktor 13 gespeist. Die Temperatur des Luftstroms am Auslass des WGS-Reaktors 13 wird in 14 auf Werte im Bereich von 50 bis 300°C und vorzugsweise 100 bis 250°C gekühlt und wird in einen zweiten WGS-Reaktor 15 gespeist, wodurch die CO-Prozentsätze auf Werte typischerweise unter 0,3% Volumen/Volumen weiter vermindert werden können. Der den WGS- Reaktor 15 verlassende Strom wird dann in 16 gekühlt und nach Kondensation und Abtrennung des Dampfes in 17 wird das CO2 aus dem Gas in 18 entfernt. Der Strom wird dann zu einem Methanierungsschritt 19 gesendet, der weiterhin den CO-Gehalt auf Werte unter 2 ppm vermindert. Das Gas, das H2 und N2 in Verhältnissen im Bereich von 0,75 zu 3,5 Volumen/Volumen und Ar-Prozentsätzen unter 0,8% enthält, wird gegebenenfalls mit N2 in 20 vermischt, in 21 bei Drücken im Bereich von 50 bis 500 kg/cm2 und vorzugsweise 100 bis 400 kg/cm2 verdichtet und zu dem durch das Quadrat 22 wiedergegebenen Ammoniaksyntheseabschnitt und zu dem Ammoniaktrennabschnitt 23 geschickt.
  • In einem dritten, in Fig. 3 wiedergegebenen Schema werden zwei CPO-Reaktoren in Reihen oder ein primärer CPO- Reaktor und ein sekundärer ATR-Reaktor verwendet. In diesem Fall wird ein oxidierender Strom von Luft in einem der zwei Reaktoren und ein oxidierender Strom, bestehend aus angereicherter Luft, in dem zweiten Reaktor verwendet. Dieses Verfahrensschema wird durch die Eigenschaft des CPO-Reaktors ohne Erzeugung von kohlenstoffhaltigen Rückständen auch bei O2/C-Verhältnissen < 0,5 Volumen/Volumen unter Verwendung von Luft oder angereicherter Luft betrieben werden zu können, ermöglicht.
  • Insbesondere wird mit Bezug auf Fig. 3 ein Luftstrom 1 in 2 bei Drücken im Bereich von 10 bis 80 kg/cm2 und vorzugsweise bei Drücken im Bereich von 20 bis 50 kg/cm2 verdichtet und in 3 in den Einlasszonen des CPO-Reaktors 10 mit einem Strom von entschwefeltem Erdgas 4 und bei dem gleichen Druck vermischt. Die zwei Ströme werden in 5 und 6 auf Temperaturen im Bereich von 25 bis 400°C, vorzugsweise 100 bis 300°C, vorerhitzt. Die O2/C-Verhältnisse in der Beschickung liegen im Bereich von 0,15 zu 0,50 und vorzugsweise 0,20 zu 0,40 Volumen/Volumen. Der Strom am Einlass des CPO-Reaktors 10 kann auch in 9 zugegebenen Dampf 8 enthalten, selbst wenn sein Vorliegen nicht notwendig ist. Der Strom von durch den CPO- Reaktor 10 hergestelltem Synthesegas hat eine Temperatur im Bereich von 400 bis 950°C und vorzugsweise im Bereich von 500 bis 850°C und wird nach dem Mischen mit Sauerstoff oder stark angereicherter Luft in 11 geschickt und in den Reaktor 12 gespeist, der ein zusätzlicher CPO- oder ATR-Reaktor sein kann. Die Menge an in 11 zugegebenem Sauerstoff wird so festgelegt, dass die % CH4, die den Reaktor 12 verlassen, unter 0,8% und vorzugsweise unter 0,5% Volumen/Volumen vermindert sind. Der den Reaktor 12 verlassende Gasstrom wird in den Tauschern 5-7, 24 gekühlt und in 14 mit Dampf vermischt und in einen ersten WGS-Reaktor 15 gespeist. Der den WGS-Reaktor 15 verlassende Gasstrom wird in 16 auf Werte im Bereich von 50 bis 300°C und vorzugsweise 100 bis 250°C gekühlt und wird in einen zweiten WGS-Reaktor 17 gespeist, wodurch die CO-Prozentsätze weiter auf Werte von typischerweise unter 0,3% Volumen/Volumen vermindert werden können. Der den WGS-Reaktor 17 verlassende Strom wird dann in 18 gekühlt und nach Kondensation und Abtrennung des Dampfes in 19 wird er zu einem Entfernungsschritt des CO2 20 und anschließend zu einem Methanierungsschritt 21, der weiterhin den CO-Gehalt auf Werte unter 2 ppm vermindert, gesendet. Das nun H2 und N2 in Verhältnissen im Bereich von 0,75 zu 3,5 Volumen/Volumen und Ar- Prozentsätze unter 0, 8% enthaltende Gas wird in 22 bei Drücken im Bereich von 50 bis 500 kg/cm2 und vorzugsweise 100 bis 400 kg/cm2 verdichtet und zu dem durch das Quadrat 23 bzw. das Quadrat 24 wiedergegebenen Ammoniaksynthese- und Trennabschnitt geschickt.
  • Ein in Fig. 4 beschriebenes, viertes Schema umfasst eine Inversion der oxidierenden Ströme von Luft und angereicherter Luft bezüglich des Schemas von Fig. 3. Insbesondere umfasst das Schema einen ersten CPO-Schritt, in dem die Reaktion zwischen einem Strom aus reinem Sauerstoff oder angereicherter Luft mit einem O2/C-Verhältnis im Bereich von 0,15 zu 0,5 Volumen/Volumen und bevorzugter 0,2 zu 0,45 Volumen/Volumen und mit Dampf/Kohlenstoff-Verhältnissen im Bereich von 0 zu 1 bewirkt wird und einen anschließenden Schritt in einem weiteren CPO-Reaktor oder in einem ATR- Reaktor, in dem die Teiloxidation der Kohlenwasserstoffe mit Luft vervollständigt wird.
  • Bezüglich der bekannten technologischen Lösungen haben die vorstehend beschriebenen Verfahrensschemata die nachstehenden Vorteile:
    • a) Die Möglichkeit der Verwendung einer Vielzahl von Kohlenwasserstoff-Beschickungen; bei der Ausführung können gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoff-Beschickungen auch ohne den Entschwefelungsdurchgang vor der CPO-Reaktion verwendet werden.
    • b) Konstruktive und operative Einfachheit (es gibt keine Brenner oder Verbrennungskammern in den Reaktoren, wobei keine kohlenstoffhaltigen Reste gebildet werden).
    • c) Es ist nicht notwendig, Öfen zum Vorerhitzen von Reagenzströmen anzuwenden und es gibt deshalb keine Emissionen von CO2, die mit den Vorheizvorgängen verbunden sind.
    • d) Starke Flexibilität der Anlagenkapazität, die an die Änderungen gemäß den produktiven Erfordernissen und Eigenschaften der Beschickungsströme angepasst werden kann.
    • e) Niedrige Investitionskosten, weil die Reaktoren kleine Änderungen aufweisen und mittlere Katalysatormengen enthalten.
    • f) Niedriger Energieverbrauch aufgrund der Möglichkeit des Anfahrens von Synthesegas-Erzeugungsreaktoren bei niedrigen Temperaturen und wirksames Wiedergewinnen von austretender Wärme.

Claims (4)

1. Verfahren zur Synthese von Ammoniak, ausgehend von einem Gemisch von H2 und N2, umgesetzt in Gegenwart eines Katalysators, wobei das Gemisch von Gasen mit Hilfe eines katalytischen Teiloxidationsverfahrens bei einer niedrigen Kontaktzeit erhalten wird.
2. Verfahren zur Synthese von Ammoniak nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Zurückführen von Stickstoff vermieden wird.
3. Verfahren zur Synthese von Ammoniak nach dem ersten Anspruch, wobei die katalytische Teiloxidation mit einem autothermalen Reforming-Schritt kombiniert wird.
4. Verfahren zur Synthese von Ammoniak nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der CPO-Schritt ein O2 /C-Verhältnis von weniger als 0,5 aufweist.
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