DE1258851B - Verfahren und Vorrichtung zur Kuehlung der Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kuehlung der Reaktionsgase bei der AmmoniaksyntheseInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
- C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
- C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
- C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
- C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
COIc
Deutsche Kl.: 12 k-1/04
Nummer: 1258 851
Aktenzeichen: Z11563IV a/12 k
Anmeldetag: 28. Mai 1965
Auslegetag: 18. Januar 1968
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung der Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese durch
Wärmeaustausch mit dem verflüssigten Syntheseammoniak, das anschließend unter Arbeitsleistung
entspannt wird.
Bei diesem bekannten Verfahren wird das erzeugte
Ammoniak, bevor es zur Kühlung des Reaktionsgases verwendet wird, in einer Drosseleinrichtung auf einen
Teildruck entspannt. Der verbleibende Restdruck des Ammoniaks wird dann zum Antrieb einer Kraftmaschine
benutzt.
Bei anderen bekannten katalytischen Ammoniakherstellungsverfahren unter Hochdruck wird die Reaktionswärme
nicht ausgenutzt, oder sie wird zur Herstellung von Wasserdampf von niedrigem Druck verwendet,
der keine Arbeit leisten kann und zu Heizzwecken außerhalb der Anlage dient.
Auch dieses bekannte Verfahren führt also nur zu einer mangelhaften Ausnutzung der Reaktionswärme.
Das Verfahren gemäß Erfindung nutzt die Reaktionswärme besser aus. Es ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Verflüssigung des Syntheseammoniaks und dessen Einsatz als Kühlmittel bei einem Druck
erfolgen, der demjenigen im Reaktionsraum entspricht, und daß bei der Arbeitsleistung nur auf einen
Druck entspannt wird, der die Wiederverflüssigung durch Luft- oder Wasserkühlung erlaubt.
Hieraus ergeben sich insbesondere die Vorteile, daß infolge der hohen Synthesetemperatur eine sehr große
Arbeitsleistung gewonnen wird und die Verflüssigung des Ammoniaks ohne mechanische Arbeitsleistung
erfolgen kann, wenn das Ammoniak in flüssigem Zustand gewonnen werden soll.
Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Erfindung. Diese
Vorrichtung besitzt eine Turbine zur Verwertung der Energie des zu entspannenden flüssigen Ammoniaks
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine mit einem von ihr angetriebenen Turboverdichter in
einem gemeinsamen Hochdruckgehäuse angeordnet ist, welches auch die Welle des Aggregats vollständig
umgibt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert.
F i g. 1 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm;
F i g. 2 zeigt eine-Vorrichtung gemäß Erfindung mit
dem zur Reaktionszirkulation angewendeten Aggregat Turbine-Turboverdichter;
F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung mit einem Injektor.
Das in F i g. 1 dargestellte Diagramm zeigt die thermodynamischen Vorgänge bei einem als Beispiel
Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung der
Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese
Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese
Anmelder:
Fa. Zaklady Azotowe Kf dzierzyn,
Przedsiebiorstwo Panstwowe (Polen)
Vertreter:
Dr. W. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf,
Patentanwälte, 8000 München 2, Hilblestr. 20
Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Wactaw Hennel, Kgdzierzyn (Polen)
Beanspruchte Priorität:
Polen vom 18. September 1964 (105 760)
gewählten Verfahren gemäß der Erfindung. Die Linie A-B zeigt hier die isobare Erwärmung des Ammoniaks
bei einem Druck, der angenähert gleich dem Druck ist, bei dem er aus dem Endgas kondensiert wurde.
Die Linie B-C stellt die Expansion mit Arbeitsleistung und die Linie C-D die Kondensation dar.
Die Anwendung des Verfahrens gemäß Erfindung ist insbesondere dann günstig, wenn die Arbeitsleistung
zur Gaskompression in der gleichen Ammoniakanlage angewendet wird. Die Verwendung des Ammoniaks
als energetisches Medium, also derselben Substanz, welche als Endprodukt erhalten wird, ergibt eine Vereinfachung
der Anlage und neue Möglichkeiten zur Anwendung von Turbokompressoren. Da der kritische
Punkt von Ammoniak etwa bei 132° C und etwa 115 kg/cm2 liegt und da der Druck der Ammoniaksynthese
wesentlich höher liegt, erfolgt kein Verdampfen. Während des Wärmeaustausches des sich
bereits in überkritischem Zustand befindlichen Ammoniaks mit den Reaktionsgasen wird das Ammoniak
auf eine Temperatur erwärmt, welche weit über der kritischen Temperatur liegt. In diesem überhitzten
Zustand wird das Ammoniakgas der Arbeitsmaschine zugeführt. Dabei wird, wie in F i g. 1 gezeigt ist, eine
sehr große Arbeitsleistung verfügbar. Die Entspannung wird beim Verfahren gemäß Erfindung nur so
weit geführt, daß eine Wiederverflüssigung des Ammoniaks mittels Kühlwasser oder Luft möglich ist.
709 719/382
Ein wichtiges Element der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Erfindung ist ein an
sich bekannter Wärmeaustauscher. In diesem Wärmetauscher gibt das Reaktionsgas seine Wärme dem
hochkompremierten Ammoniak ab. Der zu diesem Zweck verwendete Wärmetauscher unterscheidet sich
von den üblichen Wasserdampfkesseln zur Wiedergewinnung der Reaktionswärme dadurch, daß seine
wärmeleitenden Wände der Druckdifferenz von ein paar Atmosphären ausgesetzt sind und nicht dem
vollen Hochdruck des Prozesses. Demzufolge ist der Wärmetauscher viel kleiner und billiger und kann
leicht teilweise oder ganz innerhalb des Reaktors eingebaut werden.
Ein weiteres bedeutendes Element der Vorrichtung gemäß Erfindung ist ein Aggregat zum Ausnutzen des
Ammoniakdrucks zur Arbeitsleistung. Es besteht aus einer Turbine und einem Turboverdichter (Turbokompressor),
die im gemeinsamen Hochdruckgehäuse vorgesehen sind. Die Welle des Aggregats befindet
sich vollständig innerhalb des Gehäuses, wodurch die größte Schwierigkeit in der Anwendung von Turboverdichtern
beim hohen Druck, nämlich das Abdichten der Welle, gelöst ist. Bei entsprechender Stellung
der Turbine und des Verdichters innerhalb des Gehäuses wird an der Welle eine Druckdifferenz von
höchstens ein paar Atmosphären wirksam.
Das Abdichten der drehbaren Welle auf diese kleine Druckdifferenz bildet keine Schwierigkeit. Der
Turbinenantrieb des Turboverdichters ermöglicht höhere Umdrehungszahlen als in üblichen Lösungen
dieser Hochdruckverdichter mit elektrischem Antrieb. Aus diesem Grund weist die Turbine und der
Verdichter kleine Dimensionen auf.
Das Aggregat Turbine—Turboverdichter in der
Vorrichtung gemäß Erfindung findet insbesondere Anwendung zur Zirkulation der Gase im Kreislauf.
Eine andere mögliche Anwendung ist die Kompression des Frischgases, das zum Kreislauf zugeleitet
wird. Bislang ist es nicht gelungen, zum Kornprimieren des Frischgases ausschließlich nur Turbokompressoren
anzuwenden. In den üblichen Anlagen wird Frischgas mittels eines Turbokompressors höchstens
bis zu 100 bis 200 Atmosphären komprimiert, und eine weitere Kompression wird mittels eines
Kolbenkompressors erzielt. Das Aggregat gemäß Erfindung, das die Energie des überhitzten hochkomprimierten
Ammoniaks ausnutzt, ist besonders zur Endkomprimierung des Frischgases geeignet, so daß kein
Kolbenkompressor notwendig ist.
Eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Erfindung weist einen Injektor auf, mit dessen Hilfe die
Arbeitsleistung des überhitzten hochkomprimierten Ammoniaks ausgenutzt und im Kühlungssystem der
gleichen Anlage angewendet wird. Durch Verwendung des Ammoniaks als Kühlungs- und Zirkulationsmedium
wird eine beträchtliche Vereinfachung und Verbilligung der Konstruktion erzielt.
Tn Fig. 2 ist der Wärmetauscher 1 innerhalb eines Hochdruckgehäuses 2 des Reaktors gezeigt, welcher
eine katalytische Kammer 3 und einen Wärmeaustauscher 4 aufweist. Das Ammoniak wird dem
Wärmetauscher 1 durch Vorwärmer 5 zugeführt. Eine Turbine 7 und ein Turboverdichter 8, die beide
in einem gemeinsamen Hochdruckgehäuse 6 vorgesehen sind, bilden ein Aggregat zum Zirkulieren des
Gases im Synthesekreislauf. Der Luft- oder Wasserkondensator 9 kondensiert das Ammoniak, nachdem
es Arbeit geleistet hat. Das fertige Produkt wird in einem Behälter 10 gesammelt. Das in vereinfachter
Form dargestellte klassische System zur Kühlung und Abscheidung des flüssigen Ammoniaks aus dem Endprodukt
ist mit 11 bezeichnet. Eine Leitung 12 führt Frischgas zu und eine Leitung 13 führt das Abgas ab.
Die Leitungen 14 und 15 dienen zum Ein- und Abführen des als Kühlungsmedium angewendeten Ammoniaks.
Der Wasser- oder Luftkühler des Endgases ist mit 16 und der Kompressor des Frischgases mit
17 bezeichnet. Die Leitungen 18 und 19 dienen zum Antrieb der Turbine 7 mit Hilfe des Frischgases beim
Anlauf der Anlage.
In F i g. 3 ist nur ein Teil der Vorrichtung zur Ammoniaksynthese dargestellt, um eine Abänderung
der Vorrichtung gemäß Erfindung zu veranschaulichen. Die in F i g. 3 gezeigten Teile haben die gleichen
Bezugszeichen wie diejenigen in Fig. 2. Die Antriebsleitung eines Injektors 20 ist mit dem Wärmetauscher
1 verbunden; seine Saugleitung ist mit dem Ammoniakverdampfer 11 und der Auslauf mit
dem Kondensator 9 verbunden.
Claims (2)
1. Verfahren zur Kühlung der Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese durch Wärmetausch
mit dem verflüssigten Syntheseammoniak, das anschließend unter Arbeitsleistung entspannt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des Syntheseammoniaks und dessen Einsatz als Kühlmittel bei einem Druck erfolgen,
der demjenigen im Reaktionsraum entspricht, und daß bei der Arbeitsleistung auf einen Druck entspannt
wird, der die Wiederverflüssigung durch Luft- oder Wasserkühlung erlaubt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Turbine
zur Verwertung der Energie des zu entspannenden flüssigen Ammoniaks, dadurch gekennzeichnet,
daß die Turbine (7) mit einem von ihr angetriebenen Turboverdichter (8) in einem gemeinsamen
Hochdruckgehäuse angeordnet ist, welches auch die Welle des Aggregats vollständig
umgibt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 851492.
Deutsche Patentschrift Nr. 851492.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 719/382 1.68 © Bundesdruckerei Berlin
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PL10576064 | 1964-09-18 |
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ID=19943332
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