DE1817632C3 - Verfahren zum Aufwärmen des zur Durchführung eines exothermen Prozesses bestimmten Reaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufwärmen des zur Durchführung eines exothermen Prozesses bestimmten Reaktors oder eines Teiles davon während des Anfahrens dieses exothermen Prozesses mit Hilfe einer zusätzlichen Wärmequelle, durch die ein strömungsfähiger, wenigstens teilweise in den Reaktor zurückgeführter Wärmeträger erwärmt wird, der nachfolgend seine Wärme beim Durchströmen des aufzuwärmenden Reaktors an diesen abgibt.

In Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie, 3. AufU Bd. I, S. 912, 913 sind Verfahren der Ammoniak-Synthese beschrieben, insbesondere des Wärmeaustausches mit Hilfe des Synthesegases bei verschiedenen bekannten Verfahren im stetigen exothermen Betrieb, nachdem der Reaktor für diesen stetigen Betrieb bereits auf die erforderliche Temperatur aufgewärmt worden ist. Danach kann dem Reaktor heißes Gas entnommen werden, um die Temperatur im Reaktionsbereich abzusenken. Zur Aufwärmung des frischen Synthesegases kann dieses durch außerhalb oder innerhalb des Reaktors angeordnete Wärmetauscher geleitet werden, durch die heißes Gas aus dem Reaktionsbereich strömt. Für die Aufwärmung des Reaktors werden bei diesen bekannten Verfahren in dem Reaktor eingebaute elektrische Vorwärmung verwendet.

Aus der DL-PS 49 838 ist ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak bekannt, bei dem eine verbesserte Ausnutzung der Abwärme der Ammoniak-Synthese vorgeschlagen wird. In einer Ausführungsform dieses Verfahrens wird ein Injektor verwendet, dessen Treibgasleitung an den Reaktor angeschlossen ist, so daß ihm überhitztes Ammoniakgas unter hohem Druck zugeführt wird, das sich im Injektor entspannt und zum Kondensator weitergeleitet wird. Die Saugseite des Injektors ist an den Ammoniakverdampfer angeschlossen. Auch dieses Verfahren setzt voraus, daß sich der Reaktor im stetigen exothermen Betrieb befindet. Für das Anwärmen des Reaktors gibt diese Druckschrift ebenfalls keinen Hinweis.

Nach Erreichen der Temperatur, bei welcher der exotherme Prozeß abläuft, ist zur Erhaltung des erforderlichen Temperaturpegels im allgemeinen keine Wärmezufuhr aus der äußeren Wärmequelle mehr nötig, da die bei dem exothermen Prozeß frei gewordene Wärme für die Bildung des erforderlichen Temperaturgefälles in dem Wärmetauschsystem genügt. Die Einrichtung zum Aufwärmen des Reaktors wird somit nur während eines begrenzten Teiles der gesamten Betriebszeit des Reaktors ausgenutzt Aus Konstruktionsgründen wird diese Einrichtung, wie oben S erwähnt, in dem Inneren des Reaktors untergebracht d. h. dori, wo in der Regel Platzmangel herrscht Mit Rücksicht auf die Reaktionen im Dauerbetrieb und auf die Konstruktion der Aufwärmeeinrichtung wird diese für eine relativ niedrige Wärmeleistung dimensioniert, was nachteilig für die beim Aufwärmen des Reaktors erforderliche Zeit ist Während der Aufwärmzeit mit Hilfe einer äußeren Wärmequelle durchströmt den Reaktor wegen der niedrigen Leistung der Aufwärmeinrichtung nur eine begrenzte Menge des Wärmeträgers, und die Intensität des Wärmeüberganges an allen Stellen des Reaktors, sowie der Aufwärmeinrichtung ist dadurch wesentlich niedriger als dies während des betrieblichen exothermen Prozesses der Fall ist Das Verhältnis der in dem Wärmeaustauschsystem des Reaktors rekupierten Wärme und der aus der äußeren Wärmequelle während des Aufwärmens des Reaktors zugeführten Wärme ist dann niedrig, der Verbrauch an Wärme aus der äußeren Quelle hingegen hoch.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Schwierigkeiten beim Aufwärmen des Reaktors zu beseitigen und durch ein wirtschaftlicheres Verfahren das Aufwärmen des Reaktors zu beschleunigen.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß man den neu in den Reaktor einzubringenden Wärmeträger als Treibmittel in einen Injektor leitet, der saugseitig einen Teil des aus dem Reaktor austretenden erwärmten Wärmeträgers aufnimmt und in den Reaktor zurückführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den großen Vorteil einer überraschend hohen Wirkung bei der Energierückgewinnung, wodurch die Zeit der Vorerwärmung des Wärmeträgers, wie sie in an sich bekannter Weise mittels einer äußeren Wärmequelle erfolgt, bedeutend abgekürzt werden kann. Gleichzeitig kann eine äußere Vorrichtung zur Zuführung von Wärme Anwendung finden, deren Kapazität gegenüber bisher vergleichbaren bedeutend niedriger sein kann. Dadurch kann der Aufwärmbetrieb wesentlich wirtschaftlicher gestaltet werden. Von Bedeutung ist hierbei, daß im Vergleich zu bisher bekannten Anlagen bei dem vorliegenden Verfahren der Weg des umlaufenden Wärmeträgers im Aufwärmbetrieb wesentlich verkürzt wird, wobei aus dem der Vorwärmung dienenden Kreislauf diejenigen Anlageteile, die bei dem eigentlichen exothermen Betrieb zur Kühlung des Gases und zur Kondensation des erzeugten Gases dienen, völlig ausgeschaltet sind. Auf gleiche Weise läßt sich bei dem Anfahrkreislauf auch ein Teil der eigentlichen Reaktionsanlage ausnehmen, wodurch weitere Wärmeverluste an die Umgebung vermieden werden. Insbesondere ist aber auch vorteilhaft, daß es im Gegensatz zu bisher bekannten Verfahren nicht mehr erforderlich ist, den Wärmeträger auf niedriger Temperatur zu halten, um ihn in diesem Zustand den Kompressoren zuführen zu können, was nur durch die Funktionseigenschaft des zur Anwendung kommenden Injektors möglich wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Figur dargestellt, die das erfindungsgemäße Verfahren für das Aufwärmen des Reaktionsraumes ausnutzt, und zwar für den Fall des Aufwärmens eines Reaktionsraumes für die Ammoniak-Synthese auf die für die Durchführung der Ammoniak-Synthese erforderliche Temperatur.

Eine Mischung von Wasserstoff und Stickstoff wird als Synthesegas auf z. B. 300 Kg/cm² komprimiert durch eine Hauptrohrleitung 1 vor ein geschlossenes Eintrittsventil 2 geführt Das Synthesegas strömt von hier mit einer niedrigen Temperatur von z. B. 30⁰C durch eine Nebenschlußrohrleitung 3 und durch ein Ventil 4 in einen Injektor 5, in dem es als Treibmittel zum Ansaugen für das aus einem Wärmeaustauscher 8 durch eine Austrittsleitung 6 und durch ein Austrittsventil 7 austretende heiße Synthesegas dient Die sich ergebende Gasmischung mit einer erhöhten Temperatur wird nach dem Austritt aus dem Injektor 5 in den ersten Wärmetauscher 8 und weiter in einen zweiten Wärmetauscher 9 geleitet. In beiden vorgenannten Wärmetauschern erfolgt das Erwärmen des eintretenden ursprünglichen kalten Synthesegases mittels des Gases, das schon sämtliche Katalysatorschichten durchströmt hat. Das Erwärmen des eintretenden Synthesegases erfolgt weiterhin in einem dritten Wärmetauscher 10 mittels der wärmeren, aus einer zweiten Katalysatorschicht 13 ausiretenden Gases und auch in einem Elektrovorwärmer 11. Das Synthesegas als Wärmeträger strömt der Reihe nach durch die erste und zweite Katalysatorschicht 12 und 13, die dadurch bis auf die Temperatur der Amoniak-Synthese erwärmt werden. Das Synthesegas strömt weiter durch den Wärmetauscher 10, in dem es gekühlt wird, und weiter durch eine dritte bis sechste Katalysatorschicht 14, 15, 16 und 17 und anschließend durch den zweiten Wärmetauscher 9, wo es durch einen Dampfkessel 18, in dem in dieser Phase des Prozesses kein Wasserdampf erzeugt wird, geleitet wird, und nachfolgend durch den Wärmetauscher 8, wo das Synthesegas auf die Austrittstemperatur abekühlt wird, die aber höher als die Temperatur des durch die Hauptrohrleitung 1 zugeführten Synthesegases ist Das Synthesegas tritt aus dem ersten Wärmetauscher 8 durch die Austrittsrohrieitung 19, aus dem ein TeiJ des Synthesegases auf die oben angeführte Art durch das Austrittsventil 7 sowie durch die Austrittshilfsrohrleitung 6 und den Injektor 5 zurück in den Reaktor geführt wird. Mit Hilfe des dargestellten Gasumlaufes werden die Koeffizienten dos Wärmeüberganges in den Wärmetauschern 8,9 und 10, in dem Elektrovorwärmer 11 sowie in den Kataiysatorschichten 12,13,14,15,16 und 17 sowie die Temperatur des in den Reaktor eintretenden Wärmeträger erhöht. Infolge dessen kann der Elektrovorwärmer 11 eine niedrigere Leistung abgeben, als das bei Abwesenheit des Gasumlaufes der Fall wäre.

Der injektor 5 für den Gasumlauf kann auch an einer anderen Stelle angeordnet werden, als sie im Schema eingezeichnet ist Als Alternative kann die Wärme aus dem Elektrovorwärmer 11 dem Synthesegas vor dem Eintritt in den Injektor oder dem Synthesegas an der Saugseite des Injektors zugeführt werden. Eine andere Alternative besteht darin, daß die Wärme aus dem Elektrovorwärmer 11 dem Synthesegas an der Druckseite des Injektors entweder hinter dem Injektor oder an einer entfernteren Stelle im Wege des Synthesegases zugeführt wird. Der Elektrovorwärmer 11 kann entweder innerhalb des Reaktors oder auch außerhalb des Reaktors angeordnet sein. Dabei kann in dem Umlaufkreis des Synthesegases ein Wärmeaustauschsystem des Reaktors oder eines Teiles dieses Systems eingegliedert sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Aufwärmen des zur Durchführung eines exothermen Prozesses bestimmten Reaktors oder eines Teiles davon während des Anfahrens dieses exothermen Prozesses mit Hilfe einer zusätzlichen Wärmequelle, durch die ein strömungsfähiger, wenigstens teilweise in den Reaktor zurückgeführter Wärmeträger erwärmt wird, der nachfolgend seine Wärme beim Durchströmen des aufzuwärmenden Reaktors an diesen abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß man den neu in den Reaktor einzubringenden Wärmeträger als Treibmittel in einen Injektor leitet, der saugseitig einen Teil des aus dem Reaktor austretenden erwärmten Wärmeträgers aufnimmt und in den Reaktor zurückführt