DE1767355C3 - Verfahren zur Durchfuhrung exo thermer katalytischer Gasreaktionen - Google Patents

Description

und eine höhere Produktivität zu erreichen ist, weil die erste Katalysatorschicht 7 zu kühlen, damit es der abgezweigte Gasstrom immer in die Reaktion zu- nicht zu einer Überhitzung des Reaktionsrückkehrt. Es wird somit kein größerer Teil des Gases gemisches über eine gewisse, für den Katalysator abgeführt, ohne an der Reaktion voll teilgenommen gefährliche Temperaturgrenze, z. B. 550° C, kommt, zu haben. Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß die 5 Eine derartige Grenze würde aber bei einer schnellen Hillsapparatur und die Maschinen mit dem an der Reaktion der Ammoniaksynthese auf einem frisch-Reaktion nicht teilgenommenen Gas nicht belastet gefüllten Katalysator überschritten werden. Andererwerden, seits wird am Ende des Produktionszyklus durch den

Die angeführten Vorteile ermöglichen eine sichere bereits abgenutzten Katalysator an der genannten

Arbeit in einem breiten Bereich der Belastung des io Stelle eher eine niedrigere Temperatur, z. B. 360 bis

Reaktionsraumes durch die Menge des durchgesetzten 380° C, erreicht, und in diesem Falle wird die Küh-

Reaktionsgemisches im Vergleich mit dem Fall, wenn lung des Reaktionsgemisches vor dem Eintritt in die

die Reaktion ohne Zirkulation durchgeführt wird. erste Katalysatorschicht 7 ausgeschaltet.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfah- Nach dem Vermischen der beiden Komponenten

rens beruht auch darin, daß es einen stabilen Betrieb 15 im Injektorsystem, wo gleichzeitig ein Temperatur-

auch bei Abweichungen von der normalen Zusam- ausgleich, z. B. auf 450 bis 460° C, stattfindet, ge-

mensetzung des Reaktionsgemisches erlaubt. Dies langt das Gas in die erste Katalysatorschicht 7. wo

z. B. bei der Ammoniaksynthese aus der Mischung bei Wärmeentwicklung und Temperaturanstieg Am-

von Wasserstoff und Stickstoff im Falle einer Er- moniak entsteht.

höhung des Gehalts an sauerstoffhaltigen Stoffen über 20 Die Temperatur des Reaktionsgemisches vor dem die übliche Grenze, die eine vorgeschaltete Reinigung Eintritt in die erste Katalysatorschicht 7 wird durch der Reaktionsmischung erfordert. In diesem Falle Einspritzen des kalten Reaktionsgemisches geregelt, erniedrigen sauerstoffhaltig« Stoffe die Geschwindig- Das Einspritzen kann an drei verschiedenen Stellen keit der Ammoniaksynthese relativ mehr bei niedri- erfolgen: vor dem ersten Injektorsystem 5 durch die geren Werten der Reaktionstemperaturen als bei höhe- 35 Leitung 8, in das angesaugte Reaktionsgemisch durch 1 cn Werten. Durch die Zirkulation der Reaktions- die Leitung 9, oder in das komprimierte Reaktionsmischung ist es in dem genannten Falle möglich, dem gemisch durch die Leitung 10. An den genannten Bereich der niedrigen Temperaturen auszuweichen, drei Stellen kann die Temperatur des Reaktionsbei denen, wie angeführt, die Reaktion durch sauer- gemisches durch indirekte Wärmeabfuhr geregelt stoffhaltige Stoffe sehr verlang?-.unt wird. 30 werden. Die indirekte Wärmeabfuhr ist in der Figur

Bei der Zirkulation des Reaktionsgemisches kommt durch den Wärmeaustauscher 4 veranschaulicht, und

es natürlich zur Rückführung des Endproduktes der zwar für den Fall, daß die Wärme indirekt vor dem

Reaktion aus dem Austritt in den Eintritt in den zweiten Injektorsystem 11, das ist an einer der drei

Reaktionsteilraum, was die Reaktionsgeschwindigkeit- vorerwähnten Stellen, abgeführt wird,

von verschiedenen Reaktionen in verschiedenem 35 Beim Austritt aus der ersten Katalysatorschicht 7.

Maße verlangsamt. Diese Tatsache bedeutet in eini- wo mittels der vorerwähnten Wärmeregelung die

gen Fällen einen gewissen Nachteil, der aber im Ver- Temperatur z. B. bei 520 bis 530° C gehalten wird.

gleich mit den Vorzügen der erfindungsgemäßen die für die Aktivität des Katalysators nicht gefährlich

Lösung relativ klein ist. In einigen Fällen wird dieser ist, wird das teilweise umgesetzte Reaktionsgemisch

Nachseil zum Vorteil und zur Bedingung der Auf- 40 (Ammcniakgehalt 11 bis 13 Molprozent) in zwei

rechterhaltung von Temperaturen im Reaktionsraum Teile geteilt, von denen einer durch die erste Rück-

in dem benötigten Bereich bei Reaktionen, die außer- führleitung 6 zum ersten Injektorsystem 5 auf die

ordentlich schnell verlaufen. oben beschriebene Weise rückgeführt wird. Der an-

In der F i g. ist das erfindungsgemäße Verfahren dere Teil dieses Reaktionsgemisches wird in den für die Ammoniaksynthese schematisch dargestellt. 45 Rohren des oberen Wärmeaustauschers 4 z. B. auf Das Synthesegas aus Wasserstoff, Stickstoff und einer die Temperatur von 460° C gekühlt und tritt dann kleinen Menge Ammoniak, z. B. 3 Molprozent, auf in die Düse bzw. Düsen des zweiten Injektorsystems z. B. 300 Atm komprimiert, kommt durch den Ein- 11 und in die zweite Katalysator.,chicht 12 ein, wo laß 1 in den Außenteil des Rohrbünde! Wärmeaus- ähnliche Vorgänge wie im ersten Injektorsystem 5 tauschers 2, wo es teilweise von dem austretenden 50 und an der ersten Katalysatorschicht 7 vor sich gehen. Reaktionsgemisch erwärmt wird und gelangt von hier Auch hier wird ein Teil des Reaktionsgemisches durch weiter in die Wärmeaustauschrohre 3 in der dritten eine zweite Rückführleitung 16 im Kreislauf zum Katalysatorschicht 18, wo eine weiteis indirekte Er- zweiten Injektorsystem 11 zurückgeleitet, wobei die wärmung stattfindet. Schließlich durchströmt das Temperaturregelung vor dem Eintritt in die zweite Reaktionsgemisch unter weiterer indirekter Erwär- 55 Katalysatorschicht 12 wiederum durch Einspritzen mung den Außenteil des oberen Rohrbündel-Wärme- von kaltem Reaktionsgemisch oder durch indirekte austauschers 4 und gelangt durch einen elektrischen Wärmeabfuhr erfolgt. Auch in diesem Fall ergeben Vorwärmer 25, der zur Erwärmung des Reaktors vor rieh drei Möglichkeiten für den Ort der Einspritzung, Beginn der Ammoniaksynthese benutzt wird, mit und zwar durch eine der Leitungen 13, 14 und 15. einer Temperatur von etwa 400" C in die Düse bzw. 60 Die Temperaturregelung durch das kalte Reaktions-Düsen des ersten Injektorsystems 5, in das durch die gemisch kommt hauptsächlich am Anfang des Proerste Rückführleitung 6 auch das teilweise umgesetzte duktionszyklus in Frage, wenn man mit einem frischwärmere Reaktionsgemisch aus der ersten Kataly- gefüllten Katalysator arbeitet. Die Gründe sind satorschicht 7 angesaugt wird. Am Anfang des Pro- dieselben, wie bereits bei der Katalysatorschicht 7 duktionszyklus eines frischgefüllten Katalysators wird 65 erläutert.

eine eher höhere Temperatur, z. B. 420 bis 440° C Das Reaktionsgemisch aus der zweiten Katalysaerzielt, und in diesem Fall ist es notwendig, wie weiter torschicht 12 mit einem Gehalt von 17 bis 18 Molangeführt, das Reaktionsgemisch vor dem Eintritt in prozent Ammoniak tritt dann in den ersten Hilfs-

wärmeaustauscher 17 ein, wo es z.B. auf 500" C gekühlt wird. Es gelangt dann in die dritte Katalysatorschicht 18, wo die Ammoniaksynthese bei einer Temperatur von etwa 500° C und indirektem Wärmeaustausch mit Synthesegas in den Rohren 3 zu Ende geführt wird. Am Austritt dieser Katalysatorschicht wird ein Ammoniakgehalt von ca. 20 Molprozent erreicht. Eine ähnliche Wärmeabgabe kann auch in den früher erwähnten Katalysatorschichten 7 und 12 erfolgen. In den ersten und den zweiten Hilfs-Wärmeautauscher 17 und 19 strömt durch die erste und die zweite Zufuhrleitung 20 und 22 Wasser, das hier erwärmt und gegebenenfalls verdampft wird und auf diese Weise das Abkühlen des Reaktionsgemisches bewirkt. Durch die erste und zweite Ableitung 21 und 23 wird das erwärmte Wasser oder Wasserdampf oder ein Gemisch aus Wasser und Wasserdampf entfernt. Das Reaktionsgcmisch gelangt schließlich durch den zweiten Hilfs-Wärmeaustauscher 19 in den Wärmeaustauscher 2, wo es unter indirekter Wärmeabgabe an das Frischgas dieses vorwärmt. Von hier tritt es schließlich durch den Auslaß 24 aus dem System aus, um in bekannter Weise weiterverarbeitet zu werden.

Durch die erste und die zweite Katalysatorschicht 7 und 12 strömt das Reaktionsgemisch in Radialrichtung. In der dritten Katalysatorschicht 18 strömt das Reaktionsgemisch in Radial- oder Axialrichtung.

Die zweite Katalysatorschicht 12 ist auch ohne Kreislauf des Reaktionsgemisches funktionsfähig.

Die Menge des benutzten kalten Reaktionsgemisches ist von den Reaktionsbedingungen abhängig und ändert sich je nach dem Abnutzungsgrad des Katalysators.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

ι 2 ^ Ammoniakausbeuten beispielsweise in Röhrenofen Patentansprüche: (deutsche Patentschrift 964042) eine Temperaturregelung dadurch vorzunehmen, daß die Wärmeab-

1. Verfahren zur Durchführung exothermer fuhr durch eine Trennwand auf ein kälteres Gas, das katalytischer Gasreaktionen mit Vorwärmung des 5 meist das Reaktionsgas selbst ist, vorgenommen wird. Reaktionsgemisches in einem Reaktor mit meh- Dabei soll die Umsetzung bei etwa 700 at erfolgen, reren Katalysatorschichten, zwischen denen direkt Die Temperatur wird bei dieser Anordnung nur durch oder indirekt gekühlt wird und ein Teilstrom des Zuleiten von kaltem Synthesegas geregelt, und in der teilweise ausreagierten heißen Gasgemisches ab- letzten Schicht wird die Temperatur des Reaktionsgezweigt wird, dessen Wänneinhalt mindestens io gemisches nur durch Kühlung mittels des teilweise teilweise auf das in den Katalysator eintretende vorgewärmten Eintrittsgases, das durch in der letzten Gas übertragen wird, dadurch gekenn- Schicht angeordnete Fieldrohre geleitet wird, aufzeichnet, daß der von dem aus einer Kata- rechterhalten. Eine Überhitzung des Katalysators ist lysatorschicht austretenden Gasstrom abgezweigte mit einer solchen Verrichtung nicht zu vermeiden.
Teilstrom des teilweise ausreagierten heißen Gas- 15 Es ist ebenfalls eine Vorrichtung bekannt, bei der gemisches mittels eines Injektorsystems, das mit Heißgas abgezweigt wird, nachdem dieses einen Teil vorgewärmtem Frischgas oder mit aus einer vor- des Katalysatorbetts durchströmt hat (deutsche Patenthergehenden Stufe austretendem Gasgemisch als schrift 888 996). Auch mit einer solchen Einrichtung Treibmittel betrieben wird, angesaugt und im ist ein optimaler Reaktionsverlauf vom Gesichtspunkt Kreislauf in dieselbe Katalysatorschicht zurück- 20 des gesamten Rcaktorbctricbcs nicht zu erzielen,
geführt wird, wobei im erforderlichen Ausmaß Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vor oder hinter dem Injektorsystem und/oder in Verbesserung der bekannten Verfahren zur Durchdem im Kreislauf geführten abgezweigten Gas- führung exothermer katalytischer Gasreaktionen zu strom durch Zumischen von Frischgas und/oder schaffen

auf indirektem Wege gekühlt wird. 25 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- löst, daß der von dem aus einer Katalysatorschicht kennzeichnet, daß die Kreislaufführung des ab- austretenden Gasstrom abgezweigte Teilstrom des gezweigten Teilstromes des Gasgemisches nur in teilweise ausreagierten heißen Gasgemisches mittels einer oder einigen Katalysatorschichten durchge- eines Injektorsystems, das mit vorgewärmtem Frischführt wird. 30 gas oder mit aus einer vorhergehenden Stufe austre-

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- tendem Gasgemisch als Treibmittel betrieben wird, kennzeichnet, daß mindestens in einer Katalysa- angesaugt und im Kreislauf in dieselbe Katalysatortorschicht (18), in der der Injektor-Kreislauf nicht schicht zurückgeführt wird. Dabei wird im erforderdurchgeführt wird, die Temperatur durch indi- liehen Ausmaß vor oder hinter dem Injektorsystem rekte Wärmeabfuhr (3) aus der erwähnten Kata- 35 und/oder in dem im Kreislauf geführten abgezweigten lysatorschicht geregelt wird. Gasstrom durch Zumischen von Frischgas und/oder

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, auf indirektem Wege gekühlt.

dadurch gekennzeichnet, daß in den Katalysator- Nach einer weiteren Maßnahme der Erfindung schichten, in denen der Injektor-Kreislauf des kann die Kreislaufführung des abgezweigten Teil-Reaktionsgemisches vorgenommen wird, das 40 stromes des Gasgemisches nur innerhalb einer oder Reaktionsgemisch durch die Katalysatorschicht einiger Katalysatorschichten durchgeführt werden,
in Radialrichtung geführt wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß mindestens in einer Katalysatorschicht, in der der Injektorkreislauf nicht durchgeführt wird, die Temperatur

45 durch indirekte Wärmeabfuhr aus der erwähnten

Katalysatorschicht geregelt wird.

Es ist vorteilhaft, daß in den Katalysatorschichten,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durch- in denen der Injektorkreislauf des Reaktionsgemisches

führung exothermer katalytischer Gasreaktionen in vorgenommen wird, das Reaktionsgemisch durch die

einem Reaktor mit mehreren Katalysatorschichten, 50 Katalysatorschicht in Radialrichtung geführt wird,

zwischen denen direkt oder indirekt gekühlt wird und Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens

ein Teilstrom des teilweise ausreagierten heißen Gas- zur Durchführung katalytischer Reaktionen im Ver-

gemisches abgezweigt wird, dessen Wänneinhalt min- gleich mit den bisher bekannten Verfahren bestehen

destens teilweise auf das in den Katalysator eintre- darin, daß die erfindungsgemäße Lösung in einem

tende Gas übertragen wird. 55 breiten Bereich technologischer Bedingungen einen

Bei chemischen Reaktionen, die unter erhöhter intensiven und stabilen Verlauf der Reaktion ohne

Temperatur verlaufen, ist einerseits eine Vorwärmung Überhitzung des Katalysators ermöglicht. Durch die

der Reaktionsmischung, bevor sie mit dem Kataly- Abzweigung des Heißgases hinter der Katalysator-

sator in Berührung kommt, nötig, andererseits müssen schicht und durch Ansaugen in den Injektor-Saugteil

Temperatur und Konzentration im Katalysatorbett 60 wird das Heißgas in Zirkulation versetzt, wobei es in

geregelt werden. Diese Regelung hat so zu erfolgen, der Mischkammer des Injektors in das vorgewärmte

daß zwar der Verlauf der chemischen Reaktion be- Gas eingeführt wird. Diese Zirkulation kann sowohl

schleunigt wird, jedoch eine Überhitzung des Kata- nur in einer Katalysatorschicht als auch in einigen

lysators über die maximal zulässige Temperatur Katalysatorschichten durchgeführt werden, so daß

hinaus vermieden wird. 65 immer ein optimaler Reaktionsverlauf vom Gesichts-

Durch die meisten der bisher bekannten Verfahren punkt des gesamten Reaktorbetriebes erzielt werden

werden nicht alle Forderungen gleichzeitig erfüllt. kann. Dadurch entsteht der Vorteil, daß durch den

Es ist bereits bekannt, zur Erzielung von hohen Reaktionsraum die gesamte Gasmasse geführt wird