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Vorrichtung zur Durchführung katalytischer Hochdrucksynthesen Bei
Versuchen, Kontaktöfen sowohl Ider Ammoniaksvnthese als auch der Methanol- und der
Benzinsynthese für höheren Gasdurchsatz zu vergrößern, ergibt sich -die Schwierigkeit,
zdaß mit der Vergrößerung .des Ofens eine Verlängerung des fiGasweges und ein störender
Dnuckanstieg unvermeidlich ist.
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Durch Erhöhung des Betriebsdruckes bei verlängertem Gasweg und damit
durch Erhöhung der Gasgeschwindilgkeit kann aber ein Ausgleich der Temperatarspitzen
auch nicht erreicht werden, so daß die Druckerhöhung allein keine anteilmäßige Leistungssteigerung
mit sich bringt. Dies gilt für alle Ofentypen, insbesondere aber für,den sogenannten
Kontaktröhrenofen, der am deutlichsten anfänglich zu hohe und am Ende des Kontaktraumes
zu tiefe Temperaturen zeigt.
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Ein erster Schritt zur Lösung dieses Problems sind einfach gebaute
Etagen- oder Blendenöfen mit Vollraumschüttungen des Katalysators, bei denen die
Gesamtmasse rdes zur Umsetzung nötigen Katalysators in einzelne, voneinander getrennte
Kammern, mit getrennter Zu- und Abführung der Gase, edie schon wärmetechnisch besser
beherrschbar sind, unterteilt ist. Bei einer,dieser bekannten Einrichtungen geschieht
dies teilweise durch Einschieben von Platten innerhalb einer Kabalysatorsäule in
einen rohrförmigen Behälter und durch Anordnung von ;getrennten G-aszu- und -aibführungsleitungen
bzw. durch Unterteilung Ider Kontaktmasse durch ringförmige Blenden mit einem zentralen
Gaszuführungs- und einem peripheren GQsableitungsorgan mit den einzelnen Abteilungen
entsprechenden Öffnungen. Bei zden Kontaktröhrenöfen, der heute bevorzugten Ausführungsform
von Öfen der Hochdrucksynthese mit optimaler Regelbarkeit der thermischen Verhältnisse,
läßt sich ein solcher Vorschlag nicht anwenden.
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Die Erfindung erlaabt nun, bei Kontaktröhren- und bei kombinierten
Öfen, insbesondere solchen von besonders großen Abmessungen, wie etwa bei Öfen mit
1000 mm Durchmesser und 18 m Höhe, einerseits den durch den längeren Gasweg verursachten
Druckanstieg und damit den entsprechenden Druckverlust zu vermeiden und andererseits
die sonst bei verlängertem Gasweg unvermeidlichen Temperaturmaxima und -minima praktisch
völlig auszugleichen und damit die Leistung in überraschender Weise zu verbessern.
Es ist Idadurch möglich geworden, das sonst hinsichtlich der Temperaturregelung
so günstige Kontaktrohrsystem auch bei erhöhtem Gas'durchsatz und bei besonders
großen Öfen beizubehalten.
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Der grundlegende Erfindungsgedlanke liegt darin, den Gasweg and damit
auch die Kontaktbehälter für die Hauptreaktion, aber auch jene für Idie bereits
ruhiger verlaufende Endreaktion, so in funktionsgemäß
parallel geschaltete und hinsichtlich
des Gasweges durch Katalysatormasse verkürzte Eiuzelgruppen zu unterteilen, daß
der Zuführungsdruck des frischen Synthesegases gemäß der Anzahl wider vom Gas parallel
durchströmten, einzelnen Kontaktröhren am je weiligen Ort der Reaktion in annähernd
gleiche und entsprechend verminderte Teildrücke aufgeteilt ist.
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Die Wirkung dieser Maßnahme wir'd klar, wenn man bedenkt, daß jede
Erhöhung der Gasgeschwindigkeit, also vorzugsweise bei übergroßen Öfen für besonders
hohe Gasdurchsatzmengen, das von der Reaktionsgeschwindigkeit im gegebenen Katalysator
abhängige Verhältnis zwischen Gasgeschwindigkeit, Verweilzeit, Gasdruck und Ausbeute
stören muß. Bei gegebener und konstanter Wirksamkeit eines Katalysators für einen
bestimmten chemischen Prozeß können aber die erwähnten Größen nur in bestimmten
engen Grenzen variiert werden, ohne daß man Unzukömmlichkeiten wie Überhitzung,
Überdruck durch erhöhten Widerstand, mangelhafte Ausbeute oder nicht optimale Ausnützung
des Reaktionsraumes in Kauf nehmen muß.
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Wie bereits erwähnt, ist es das Ziel der Erfindung, diesen Schwierigkeiten
auszuweichen und bei Kontaktröhrenöfen normaler Größe Idie B etriebsbedingungen
zu verbessern bzw. übergroße Ofen solcher Art erst zum optimalen Funktionieren zu
bringen. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Gasstrom der Reaktionspartner
nach Vorerwärmung in zwei Stufen nacheinander aufgeteilt wird und nach durchgeführter
Reaktion zur Aufheizung Ider Friscllgase dient.
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Demgemäß wird in Idem Kontaktofen, der aus einem druckfesten Mantel,
einem Ofeneinsatzmantel zur Aufnahme von Katalysatorröhren oder Katalysatorröhren
mit
Vollraumschüttungen des Katalysators und aus einem Wärmeaustauscher besteht, der
Gasstrom nach Vorerwärmung in einem Wärmeaustauscher in der ersten Stufe auf zwei
oder mehrere übereinander angeordnete Katalysatorsysteme in einem Druckkörper aufgeteilt
und in der zweiten Stufe innerhalb eines jeden Katalysatorsystems auf mehrere Katalysatorröhren
allein oder auf Kombinationen von solchen mit Vollraumschüttungen weiter unterteilt
und nach der Reaktion dem Wärmeaustauscher zur Aufheizung der Frischgase zugeführt.
Zusätzliche, komplizierte und schwer zu wartende Kühleinrichtungen für bestimmte
Teile des Ofens werden dabei erspart.
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Das Eifindungsprinzip wird im folgenden kurz an Hand Ider Zeichnung,
und zwar der Vollständigkeit halber gleich an einem kombinierten Kontaktröhren-und
Vollraumofen beispielsweise erläutert. Die Erfindung soll aber nicht auf ihre Anwendung
bei der beispielsweise dargestellten, aus Kontaktröhren und Kontaktschüttungen bestehenden
Ofentype allein und ebensowenig auf eine Unterteilung in zwei Katalysatorsysteme
Ibeschränkt sein.
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Ein den üblichen Druckkörper 1 mit Gasaus- und -einlässen 2 und 3,
den Of eneinsatzmantel 4, den rekuperativen Wärmeanstauscher 5, Idas Zentralrohr
6 und den Brenner 7 aufweisender Hochdruckofen, der entweder -mit Katalysator gefüllte
Röhren allein oder solche mit Vollraumschüttungen kombiniert enthält, wird in der
Weise ausgestaltet, daß der vom Wärmeaustauscher 5 über einen Sammler 12 ankommende
Frischgasstrom in das Zentralrohr 6 gedrückt wird, in welchem sich der bekannte
Brenner 7 befindet. Das Zentralrohr 6 besitzt Austrittsöffnungen 13, aus welchen
das vorgewärmte Frischgas in ein Gegenstrom-Verteilerrohr 16 geleitet wird, Idas
unterhalb und oberhalb Ides Brenners 7 Gasauslässe 14 und 15 aufweist, durch welche
je eine der im Sinne der Erfindung vorgesehenen Gruppen von Katalysatorröhren oder
Kombinationen dieser mit Vollraumschüttungen mit dem Frischgas versorgt werden.
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Im Falle mehrfacher Unterteilung in solche einzelnen Kontaktsysteme
sind entsprechend mehr Gasauslässe im Gegenstrom-Verteilerrohr 16 vorgesehen.
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Diese aus ,dem Rohr 16 kommenden Teilströme treffen auf Idie Katalysatorröhren
8, 9 der Rohrgruppen A, A' an ihrer engsten Stelle nahe der Befestilg.ung im jeweiligen
Rohrboden, die auch die heißeste ist, treten in diese Konbaktröhren an deren entgegengesetzten
offenen Enden und verlassen sie wieder durch die Rohrhoden 17, 18 in A bzw. ', um
von ,dort aus die gegebenenfalls zum langsamen Ausreagieren der Synthesegasreste
vorgesehenen Vollraumschüttungen 10, 11 zu passieren.
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Selbstverständlich ist der Raum A bzw. B gasdicht gegen den RaumS'
bzw. B' durch eine Trennwand 19 abgeteilt, die vom Verteilerrohr 16 bis zur Wand
des inneren Einsatzmantels 20 des Kontaktteiles reicht.
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Die Einzel ströme an ausreagiertem Gas treffen sich wieder oberhalb
des Sammlers 12 des Wärmeiaustauschers, zum sodann Idiesen unter Wärmeabgabe durchströmend
zum Ausgang 3 und in die Kondensation zu gelangen.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß die funktionsmäßig parallel
geschalteten Kontaktrnhrbatterien A bzw. 2 den Synthesegasstrom in entgegengesetzter
Richtung dirigieren, doch hat sich diese Anordnung konstruktiv als sdie einfachste
erwiesen. Unter gleichzeitiger Verlegung des oberen Gasauslasses 14 im Rohr 16 können
beispielsweise die oberen Kontaktrohre 8 der Batterie A in umgekehrter Richtung
an-
geordnet sein, so tdaß die Gasteilströme gleichsinnig gerichtet sind.
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Bei einem mit 300 atü betriebenen Ofen von besonders großen Abmessungen,
wie sie sowohl bei der Benzinsynthese als auch seit neuerem bei der Ammoniaksynthese
in Verwendung stehen, ist es nach erfindungsgemäß er Umstellung auf Gaswegunterteilung
möglich, Leistungen von 190 bis 220' t Ammoniak pro Tag bzw. entsprechende Steigerungen
bei der Benzinsynthese zu erzielen.
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Bei der erfindungsgeniäßen Unterteilung des reaktiven Systems von
Hochdruckkontaktöfen mit Kontaktröhren ist es möglich und zweckmäßig, durch einige
Verbesserungen das E;in- und Ausbauen der Ofeneinsatzteile zu erleichtern. So wird
erfindungsgemäß der Ofeneinsatzmantel 4 an geeigneter Stelle mit Konsolen 21 oder
mit einer Ringkonsole mit ausreichenden Gasdurchlässen für ldie aus dem Raume A,
B ankommenden ausreagierten Gase ausgestattet, auf denen die gesamte Kontaktanordnung
A (B)- und A' (B') aufruht. Der Wärmenustauscher C wird dadurch um das hohe Gewichtldes
Kontaktteiles entlastet.
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Aber auch der Kontakteinsatz A (B) bzw. A' (B') ist in ähnlicher
Weise so eingerichtet, rdaß immer ein oberer Teil über dem unterhalb liegenden auf
Konsolen an .der Innenwand des inneren Einsatzmantels 20 aufruht.
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Elbenso ist es möglich, den Ofeneinsatzmantel 4 mittels Klauen (in
der Zeichnung nicht dargestellt) an seinem oberen Ende in Vertiefungen oder auf
Konsolen indes Druclçkörpers 1 einzulassen oder aufzusetzen, so daß der ganze Kontaktteil
des Ofens daran hängt, ohne durch sein Gewicht den Wärmeaustauscher zu belasten.
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Weiterhin kann der gesamte, auf den Klauen 21 aufruhende Kontaktteil
A (B), A' (B') durch eine Verlängerung des Einsatzmantels 4 auf dem zu diesem Zwecke
vorkragenden unteren Abschluß boden 24 des Wärmeaustauschers 5 stehen, wobei puder
Bodenteil 24 selbst auf dem Boden des Druckkörpers 1 aufruht und genügend Gasdurchlässe22
aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß beim Ausbau der Kontakteinrichtung allein,
was ja öfter vorkommt, diese mittels des inneren Ofeneinsatzmantels 20 ohne den
schweren Wärmeaustauscher aus dem Druckkörper herausgehoben werden kann, wobei ein
beträchtlicher Teil an Höhe und Tragfähigkeit des Bedienungskrans und an Motorenleistung
eingespart werden kann. Da sich der Wärmeaustauscher bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
durch seinen unteren Röhrenboden 24 selbst trägt, braucht Idie Festilgkeit ,des
Einsatzmantels 20 lediglich .auf das Gewicht Ider eigentlichen Kontakteinrichtung
abgestellt zu sein.