DE1096879B

DE1096879B - Catalytic high-pressure synthesis device, especially for ammonia synthesis

Info

Publication number: DE1096879B
Application number: DEL33611A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Johann Niedetzky; Dr Helmut Hinrichs
Original assignee: Lentia GmbH
Current assignee: Lentia GmbH
Priority date: 1959-07-01
Filing date: 1959-07-01
Publication date: 1961-01-12

Description

Katalytische Hochdruck-Syntheseeinrichtung, insbesondere für die .Ammoniaksynthese Man ist seit langem bestrebt, mit den verschiedensten Mitteln die thermischen Verhältnisse in der Katalysatormasse von Hochdrucksyntheseöfen, beispielsweise für die Ammoniaksynthese, so zu regeln, daß sich die Reaktion aus Stickstoff und Wasserstoff in allen Teilen des Katalysators bei möglichster Schonung aller Ofen- und Ofeneinsatzteile bei optimalem Umsatz vollzieht. Sowohl bei Vollraumöfen als auch bei Katalysatorröhrenöfen geschieht dies durch Kühlung der bei der stark exothermen Reaktion der N H3 Bildung sich erwärmenden Reaktionsgase. Die Kühlung erfolgt direkt, also durch Zufuhr von kaltem Frischgas in Zwischenräume zwischen den einzelnen Katalysatorschüssen oder indirekt durch Kühlschlangen od. dgl. mittels Gase oder verdampfbarer Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser, aber auch durch indirekte Gegenstromführung von kaltem Frischgas. Zahlreich sind die bisherigen Vorschläge bei den verschiedensten Ofentypen. Alle diese Vorschläge haben aber miteinander gemeinsam, daß sie komplizierte und schwierig auszuwechselnde Einrichtungen benötigen oder den Gaswiderstand im Ofeneinsatz erhöhen. So ist beispielsweise bekannt, die Katalysatormasse in einer Anzahl von Lagen übereinander anzuordnen und in die Zwischenräume kaltes Frischgas einzublasen oder dort Wasserschlangen hindurchzuführen, um die Reaktionstemperaturen abzusenken, oder die Kontaktmasse in Rohren anzuordnen und diese mit aufzuwärmendem Reaktionsgas zu kühlen oder in die Katalysatorschichten selbst Kühlrohre einzulegen, die wieder von aufzuwärmendem Frischgas erfüllt sind. Es ist aber auch schon bei Kontakteinrichtungen zur Herstellung von SO, aus SO., vorgeschlagen worden, Kontaktlagen mit Wärmetauschern abwechselnd übereinander anzuordnen und einen regelbaren Anteil des frischen S 02-Gases vor Eintritt in die Kontaktlagen von außen durch die einzelnen Röhrenwärmetauscher zu schicken.Catalytic high-pressure synthesis equipment, especially for the ammonia synthesis. Efforts have long been made to regulate the thermal conditions in the catalyst mass of high-pressure synthesis ovens, for example for ammonia synthesis, by various means so that the reaction of nitrogen and hydrogen in all parts of the Catalyst takes place with the greatest possible protection of all furnace and furnace insert parts with optimal conversion. In both full-space furnaces and tubular catalyst furnaces, this is done by cooling the reaction gases that heat up during the strongly exothermic reaction of the formation of N H3. The cooling takes place directly, i.e. by supplying cold fresh gas into the spaces between the individual catalyst sections or indirectly through cooling coils or the like by means of gases or vaporizable liquids, preferably water, but also by indirect countercurrent flow of cold fresh gas. The previous proposals for the most varied of furnace types are numerous. However, all these proposals have in common that they require complicated and difficult to replace devices or increase the gas resistance in the furnace insert. For example, it is known to arrange the catalyst mass in a number of layers one above the other and to blow cold fresh gas into the spaces or to pass water coils through there in order to lower the reaction temperatures, or to arrange the contact mass in tubes and cool them with reaction gas to be heated, or cooling tubes in the catalyst layers themselves to be inserted, which are again filled by fresh gas to be heated up. However, it has also already been proposed in contact devices for the production of SO, from SO., To arrange contact layers with heat exchangers alternately one above the other and to send a controllable proportion of the fresh S 02 gas from outside through the individual tubular heat exchangers before entering the contact layers.

Die nachfolgend beschriebene Apparatur führt zu einem optimalen Wärmetausch in einer solchen Syntheseeinrichtung, vorzugsweise für die so weitgehend temperaturabhängige Ammoniaksynthese aus dessen Elementen. Die Vorrichtung stellt einen in zwei oder mehrere Lagen unterteilten Vollraumofen, gegebenenfalls auch eine Kombination aus einem solchen mit Kontaktrohrschüssen dar, in welchem die erwähnten Nachteile vermieden werden und darüber hinaus eine hervorragend regelbare Kühlung und hierdurch ein optimaler Umsatz ohne fühlbare Widerstandserhöhung, ohne Verdünnung bereits ausreagierten Gases durch Frischgasbeimischung und mit Hilfe einfachster konstruktiver Mittel erzielt wird.The apparatus described below leads to an optimal heat exchange in such a synthesis device, preferably for the largely temperature-dependent one Ammonia synthesis from its elements. The device represents one in two or Full-space furnace divided into several layers, possibly also a combination of one with contact tube sections in which the disadvantages mentioned are avoided and, moreover, an outstandingly controllable cooling system and thereby a optimal conversion without noticeable increase in resistance, already reacted completely without dilution Gas by adding fresh gas and with the help of the simplest constructive means is achieved.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Teil des kalten Frischgasstromes auf dem üblichen Wege außerhalb des Ofeneinsatzmantels über den üblichen Wärmeaustauscher 'und durch ein Zentralrohr von oben, auf den Katalysator der ersten Lage geschickt wird, während ein anderer Anteil des Frischgases durch eine gesonderte Bohrung des Druckkörperdeckels in einen vczm Katalysator selbst und vom Druckkörper getrennten Ringraum zwischen Katalysatorbehälter und dem erwähnten Ofeneinsatzmantel geleitet wird, wobei dieser Teilstrom einen oder nacheinander mehrere jeweils zwischen zwei Kontaktschüssen angeordnete und als kurze Wärmeaustauscher ausgebildete Zwischenböden passieren muß, bevor er endlich in dem allen Kontaktschüssen gemeinsam zugeordneten : Hauptwärmetauscher mit dem übrigen Teil des Frischgases vereinigt und nach dem gemeinsamen Passieren des Hauptwärmetauschers über das Zentral- oder Brennerrohr auf die oberste Kontaktschicht geleitet wird.This is achieved according to the invention in that a part of the cold Fresh gas flow in the usual way outside of the furnace insert jacket over the usual heat exchanger 'and through a central tube from above, onto the catalyst the first layer is sent while another portion of the fresh gas passes through a separate drilling of the pressure body cover in a vczm catalytic converter itself and from the pressure body separate annular space between the catalyst container and the mentioned Furnace insert jacket is passed, this partial flow one or after the other several each arranged between two contact sections and as short heat exchangers trained intermediate floors must pass before he finally gets into the all contact shots jointly assigned: main heat exchanger with the remaining part of the fresh gas united and after common passage through the main heat exchanger via the central or burner tube is directed to the topmost contact layer.

Durch das aus dem ersten Kontaktschuß über einen z. B. als Röhrenwärmetauscher ausgebildeten Zwischenboden in den nächstfolgenden Kontaktschuß strömende, durch die exotherme Reaktion erhitzte Gas wird der zu Kühlzwecken herangezogene Teilstrom des Eingangsgases vorgewärmt, wodurch gleichzeitig die Temperatur des Synthesegases vor dessen Eintritt in die nächstfolgende Kontaktlage so weit abgesenkt wird, wie es zu einer optimalen Ammoniakbildung in der zweiten Kontaktlage erforderlich ist.By the first contact shot over a z. B. as a tubular heat exchanger trained intermediate floor in the next contact section flowing through the exothermic reaction heated gas becomes the partial flow used for cooling purposes of the inlet gas is preheated, which simultaneously increases the temperature of the synthesis gas before its entry lowered so far into the next contact position how it is necessary for an optimal ammonia formation in the second contact layer is.

Die Reaktionswärme des ausreagierten Synthesegasgemisches aus dem zweiten oder dem letzten Kontaktschuß wird sodann in üblicher Weise in dem bereits erwähnten gemeinsamen Hauptwärmetauscher an das in das Zentral- oder Brennerrohr eintretende Gas abgegeben.The heat of reaction of the fully reacted synthesis gas mixture from the second or last contact shot is then in the usual manner in the already mentioned common main heat exchanger to that in the central or burner tube entering gas released.

Je nach den Erfordernissen der jeweiligen Anlage, die an Hand von an sich bekannten wärmetechnischen Überlegungen unschwer berechnet werden können, werden zwei oder mehrere Kontaktschüsse mit dazwischenliegenden, als Wärmetauscher ausgebildeten Böden vorgesehen. Sind mehrere solcher wärmetauschender Zwischenböden vorhanden, so kann der zur Kühlung vorgesehene Anteil des Eingangsgases diese Zwischenböden nacheinander passieren, wobei sich der jeweils kleiner werdende Wärmetauscheffekt der sich ebenfalls in den einzelnen Kontaktstufen verringernden Wärmetönung der Endreaktion anpaßt.Depending on the requirements of the respective system, which is based on thermal considerations known per se can be calculated without difficulty, are two or more contact shots with intervening, as a heat exchanger trained floors provided. Are several such heat-exchanging intermediate floors present, the portion of the inlet gas provided for cooling can be these intermediate floors happen one after the other, the respective decreasing heat exchange effect the heat tone, which is also reduced in the individual contact stages Final reaction adapts.

Es ist aber auch möglich, einen dritten Anteil vom Eingangsgas abzuzweigen und diesen in einen weiteren, sowohl vom Druckkörper als auch vom Katalysatorbehälter selbst als auch vom ersten Ringraum für den ersten Kühlgasanteil getrennten Ringraum zu führen und diesen dritten Kühlgasanteil durch den. oder die letzten. Zwischenböden unter getrennter und wirkungsvoller Kühlung derselben zu leiten. Im allgemeinen aber wird der oben dargestellte einfachere Fall zur Kühlung ausreichen.But it is also possible to branch off a third portion from the inlet gas and this into another, both from the pressure body and from the catalyst container itself and also from the first annular space for the first cooling gas portion separate annular space to lead and this third cooling gas portion through the. or the last. Intermediate floors to conduct with separate and effective cooling of the same. In general but the simpler case presented above will suffice for cooling.

Zur Regelung der Eingangstemperatur des ersten Kontaktschusses kann außerdem eine ans. sich bekannte Kühlgaszuführung für kaltes Synthesegasgemisch, etwa in Form eines sogenannten Kühlgasbrenners oder von einem Kaltgasrohr, vorgesehen sein.To regulate the input temperature of the first contact shot can also an ans. known cooling gas supply for cold synthesis gas mixture, for example in the form of a so-called cooling gas burner or a cold gas pipe be.

In der Zeichnung ist die einfachste Ausführungsform eines solchen Hochdruckofens für die Ammoniaksynthese beispielsweise und schematisch dargestellt.In the drawing is the simplest embodiment of such High pressure furnace for ammonia synthesis for example and shown schematically.

Der Deckel 1 des Druckkörpers 3, im einfachsten Fall eines Syntheseofens mit nur zwei Kontaktschüssen, weist zwei Bohrungen I und II auf, von denen I die Hälfte oder, regelbar, einen größeren oder kleineren Anteil des gesamten Synthesegasgemisches und II den Rest dem Ofeninneren zuführt. Der weitere Weg dieser beiden Gasteilströme wird nun durch ein Leitrohr (Ofeneinsatzmantel) 2 bestimmt, indem dieses den aus der Gaszuführung I kommenden Gasteilstrom zum Durchströmen des Zwischenraumes 4 zwischen diesem Leitrohr 2 und dem Druckkörper 3 zwingt, während der aus der Gaszuführung II kommende Gasteilstrom den ebenfalls zylindrischen Zwischenraum 5 zwischen dem erwähnten Leitrohr 2 und dem ersten Katalysatorbehälter oder Kontaktschuß 6, sodann den als kurzen Wärmetauscher ausgebildeten Zwischenboden 7 durchfließt und in weiterer Folge wieder die Außenwand des nächstfolgenden Kontaktschusses 8 umspült bzw. die gegebenenfalls weiteren gleichartigen Einrichtungsteile des Ofeneinsatzes. Am unteren. Ende des Druckkörper-Innenraumes vereinigen sich diese beiden Teilströme kälteren bzw. höher vorgewärmten Frischgases bei 9 und gehen endlich als Gemisch durch den an sich bekannten Röhrenwärmetauscher 10 und durch das Zentral- oder Brennerrohr 11 am Brenner. 12 vorbei in den durch die Gassammlerhaube 13 gebildeten Gassammlerraum und in die Katadysatorschüttung des ersten Kontaktschusses 6.The cover 1 of the pressure hull 3, in the simplest case a synthesis furnace with only two contact sections, has two bores I and II, of which I feeds half or, controllably, a larger or smaller portion of the total synthesis gas mixture and II the remainder to the furnace interior. The further path of these two partial gas flows is now determined by a guide tube (furnace insert jacket) 2, in that this forces the partial gas flow coming from the gas supply I to flow through the space 4 between this guide tube 2 and the pressure body 3, while the partial gas flow coming from the gas supply II is the also cylindrical intermediate space 5 between the mentioned guide tube 2 and the first catalyst container or contact section 6, then flows through the intermediate floor 7 designed as a short heat exchanger and subsequently again flushes the outer wall of the next contact section 8 or the possibly other similar device parts of the furnace insert. At the bottom. At the end of the pressure hull interior, these two partial flows of colder or higher preheated fresh gas come together at 9 and finally pass as a mixture through the tubular heat exchanger 10, known per se, and through the central or burner tube 11 on the burner. 12 past into the gas collector space formed by the gas collector hood 13 and into the catalytic converter bed of the first contact section 6.

Um mit Rücksicht auf die verschiedenen Temperaturen der aus I und II ankommenden Frischgas-Teilströme einen annähernd optimalen Wärmetausch im Hauptwärmetauscher 10 zu erzielen, kann der Gasdurchlaß bei 9 in den Wärmetauscher 10 so unterteilt sein, daß der Gasstrom aus I nur mit einem Teil des bereits aufgewärmten Gasstromes aus II zusammen in der Höhe der Öffnung 9 in den Hauptwärmetauscher 10 eintritt, während der Rest des Gasstromes aus II in diesen durch weiter oben vorgesehene Öffnungen 9 a eintritt. Auf diese Weise werden für beide Teile des Frischgasstromes bessere Wärmetauschverhältnisse geschaffen.In order to achieve an approximately optimal heat exchange in the main heat exchanger 10, taking into account the different temperatures of the fresh gas substreams arriving from I and II, the gas passage at 9 in the heat exchanger 10 can be divided so that the gas flow from I is only with part of the The heated gas stream from II enters the main heat exchanger 10 together at the level of the opening 9, while the remainder of the gas stream from II enters this through openings 9 a provided further above. In this way, better heat exchange conditions are created for both parts of the fresh gas flow.

Das Leitrohr 2 trennt mittels einer leichten Stopfbüchse 14 am Ofendeckel 1 die beiden Kaltgasströme aus I und II, während eine ebensolche leichte Stopfbüchse 15 am Brennerrohr 12 den Kaltgasteilstrom aus II von dem im Wärmetauscher 10 erhitzten Frischgasgemisch im Gassammlerraum unter der Haube 13 trennt.The guide tube 2 separates by means of a light stuffing box 14 on the furnace lid 1 the two cold gas flows from I and II, while an equally light stuffing box 15 on the burner tube 12, the cold gas partial flow from II from that heated in the heat exchanger 10 Fresh gas mixture in the gas collector space under the hood 13 separates.

Das ausreagierte Gasgemisch verläßt den zweiten oder den letzten Kontaktschuß durch die Röhren 16 des gemeinsamen Wärmetauschers 10 und den gesamten Kontaktofen durch den Gasauslaß 17. The fully reacted gas mixture leaves the second or last contact shot through the tubes 16 of the common heat exchanger 10 and the entire contact furnace through the gas outlet 17.

Das Leitrohr 2 und auch die von diesem umschlossenen, den Kontakt tragenden Einbauten können mit ihrem unteren Rande je nach Zweckmäßigkeit in an sich bekannter Weise entweder am unteren Ofendeckel 18 oder auf einem vorkragenden Teil des unteren Wärmetauscherbodens 19 aufruhen oder auch mit Hilfe von Konsolen oder Klauen in entsprechenden Ausnehmungen im Druckkörpermantel3 aufgehängt sein. Ebenso kann man, wie bereits vorgeschlagen worden war, die einzelnen funktionellen Einrichtungsteile 6, 7, 8, 10 usw. zwecks leichteren Ein- oder Ausbaues zusammen mit den entsprechenden Teilen des Leitrohres 2 unschwer voneinander trennbar ausgestalten. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird jeweils ein Kontaktschuß mit dem zugehörigen Wärmetauscherzwischenboden zu einer apparativen Einheit verbunden.The guide tube 2 and also those enclosed by it, the contact load-bearing fixtures can be attached to their lower edge depending on the expediency known way either on the lower furnace cover 18 or on a cantilevered Rest part of the lower heat exchanger bottom 19 or with the help of consoles or claws be suspended in corresponding recesses in the pressure body jacket3. Likewise, as has already been suggested, the individual functional Equipment parts 6, 7, 8, 10, etc. together for easier installation or removal design with the corresponding parts of the guide tube 2 easily separable from one another. For reasons of expediency, a contact section with the associated intermediate floor of the heat exchanger is used in each case connected to an apparatus unit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung bei der Ammoniaksynthese beschränkt, sondern kann beispielsweise bei der Methanolsynthese oder ähnlichen Verfahren Anwendung finden.The device according to the invention is not intended for use in the ammonia synthesis, but can, for example, in the methanol synthesis or similar procedures are used.

Ebenso können, ohne das Prinzip des Erfindungsgegenstandes zu verlassen, an Stelle der beschriebenen und dargestellten Vollraumschüttungen des Katalysators Katalysatoranordnungen in Röhren oder deren Kombinatiönen mit Vollraumschüttungen treten.Likewise, without departing from the principle of the subject matter of the invention, instead of the full volume beds of the catalyst described and shown Catalyst arrangements in tubes or their combinations with bulk beds step.

Claims

PATENT CLAIM: Catalytic high-pressure synthesis device for carrying out exothermic gas reactions, in particular for ammonia synthesis, with two or more catalyst layers (6, 8) and interposed tubular heat exchangers (7) within a high-pressure body (3) and a terminal main heat exchanger (10), characterized by two fresh gas feeds (I, 1I) at the upper end or on the cover (1) of the high-pressure body (3), through a guide tube (2) arranged between these and separating the two fresh gas flows, through openings (9, 9 a) in the Guide tube (2) and in the main heat exchanger (10) at the lower end of the same for mixing or for the common supply of both partial gas streams (from I, II) running in cocurrent with the reaction gas, both from the annular space (4) and from the annular space (5) and the space around the interfloor cooler tubes (7, etc.) via the main heat exchanger (10) and a Z central or burner tube (11) to the gas-tight separated from the fresh gas supply (from I and II). Inlet catalyst layer (6). Considered publications: German Patent Nos. 263 287, 529 405, 554856.