DE2000961A1

DE2000961A1 - Verfahren und Anlage fuer Ammoniaksynthese

Info

Publication number: DE2000961A1
Application number: DE19702000961
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr-Ing Silberring
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1969-12-24
Filing date: 1970-01-10
Publication date: 1971-07-15
Also published as: US3729547A; NL7001302A; DE2000961C3; CA936674A; DE2000961B2; CH523849A; GB1340340A

Description

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PATENT/-. :Vv/-.LTE - S V 6

4 DÜSSELDORF ρ ^1 bTS. 3i, T. 672240 . -■

Gebrüder S u 1 ζ e r Aktiengesellschaft, VJinterthur, Schweiz

Verfahren und AnInge für die Arnmoniaksynthese

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Ammoniaksynthese, v/obei das erzeugte Spaltgas zunächst mit hoher Kühlgeschwindigkeit gekühlt wird zwecks Einfrieren des Reaktionsgleichgewichtes. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

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Bei der Ammoniaksynthese wird zunächst aus einer Kohlenwasserstoffverbindung, Luft und Dampf, ein im wesentlichen aus Hp, HpO, CO, COp und Np bestehendes Gasgemisch, ein sogenanntes Spaltgas, von etwa 900 C und 40 ata Druck erzeugt. In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Spaltgas in einer ersten Stufe gekühlt auf ca. 6 00⁰C und zwar mit hoher Kühlgeschwindigkeit, un das Reaktionsgleichgewicht einzufrieren, d.h. das bei 900⁰C herrschende Reaktionsgleichgewicht auch bei 6 00⁰C beizubehalten. Anschliessend wird der Kohlenstoff (CO, COp) aus dem Spaltgas entfernt. Das gereinigte Spaltgas, das jetzt als Synthesegas bezeichnet wird und im wesentlichen nur noch aus Stickstoff und Wasserstoff besteht, wird noch weiter abgekühlt. Nach Druckerhöhung des Synthesegases auf ca. 300 ata, erfolgt bei diesem Druck und bei einer Temperatur von ca. 500⁰C die

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eigentliche Ammoniaksynthese in einem besonderen Syn the nek reis lauf.

Eg ist bekannt, die Kühlung des Spaltgases zunächst in einem Hochdruck-Dampferzeuger durchzuführen. Der von diesem produzierte Frischdampf wird Dampfturbinen zugeführt, die den Energiebedarf der Amruoniak-llersteliurjgsanlogo decken und gleichzeitig Mitteldruckdampf für die Ammonioksynthese abgeben. Der Dampferzeuger bietet gewisse konstruktive Probleme, da er gasseltig kurze Verweilzeit und somit Kanäle mit engen Querschnitten verlangt, durch welche das Gas mit hoher Geschwindigkeit strömt. Treten in diesen engen Kanälen Ablagerungen auf, so kann dies zu ungleichmässiger Beheizung des Hochdruck-Dampferzeugers und damit zu Instabilität auf der Wasserseite führen. Es ist daher Zweck der Erfindung, diesen Hochdruck-Dampferzeuger zu eliminieren.

Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Kühlung mit hoher Geschwindigkeit mittels arbeitsleistender Entspannung des Spaltgases stattfindet. Der Vorteil ist, dass der Hochdruck-Dampferzeuger entfällt. Auch ist das Verfahren thermodynamisch günstiger. Die Kühlung des Spaltgases mittels arbeitsleistender Entspannung ist nicht naheliegend, sinkt doch der Druck des Spaltgases bei der Entspannung sehr stark, so dass er für den anschliessenden Syntheseprozess wieder erhöht werden muss, und zwar auf ca. 300 ata. Weitere Nachteile des erflndungs· gemässen Verfahrens liegen darin, dass des tiefen Druckes des

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Spaltenses wegen, der Mitteldruck-Danpferzeuger für den bein Synthese-Verfahren verwendeten Mitteluruckdampf eine grössere Heizfläche aufweisen muss, und dass weiterhin auch die Einrichtung für die Umwandlung von CO zu CO sowie die Einrichtung für die Reinigung des Spaltgases wegen dessen grössercn Volumens mehr Raum erfordern. Diesen Nachteilen stehen jedoch die erwähnten grossen Vorteile gegenüber. Die Entspannung findet erfindungsgemäss vorteilhaft in einer Entspannungsturbine statt; die Dampfturbinen können dann entfallen, da die Entspannungsturbine deren Funktion ausübt. Der Entspannungskühlung des Spaltgases kann eine Kühlung durch Wärmeaustausch anschliessen, wodurch der für das Syntheseverfahren verwendete Mitteldruckdampf gewonnen \irird.

Zweckmässig wird die durch die arbeitsleistende Entspannung zur Verfügung kommende Energie zumindest zum Teil benutzt zum Verdichten von Spaltgas und/oder Synthesegas.

Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens, mit einem spaltgaserzeugenden Teil und einer Abkühlungsvorrichtung für das Spaltgas ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlungsvorrichtung eine Entspannungsmaschine ist. Die Entsprnnungsmaschine kann erfindungsgemäss eine Entspannungsturbine sein. Hierbei kann die Rotorwelle der Entspannungsturbine die gemeinsame Antriebswelle für zumindest einen Teil der Verdichter und Gebläse der Anlage bilden. Um die Anlage-

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disposition zu vereinfachen, kann es zv/eckmässif: sein, die gemeinsame Welle mindestens teilweise durch eine oder mehrere elektrische Wellen zu ersetzen, indem beispielsweise die Entspannungsturbine mit einem Generator gekuppelt und die verschiedenen Verdichter und Gebläse durch Elektromotoren angetrieben werden. Dabei kann die Entsponnungsturbine auf ein frequcnzhaltendes Netz arbeiten und die genannten Elektromotoren ihren Energiebedarf wiederum aus diesem Netz beziehen oder es können die verschiedenen elektrischen Maschinen zu einem anlageinternen Netz zusammengeschaltet sein. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass in dem anlageinternen Netz die Frequenz höher gewählt werden kann als die übliche Netzfrequenz, so dass sich die elektrischen und die Strömungs-Maschinen kleiner bauen lassen.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird anhand der Zeichnung (Fig. 1) näher erläutert.

Auf einer gemeinsamen Welle 1 sind ein Motor-Generator 2, ein Methanverdichter 3, ein Luftverdichter 4, eine Entspannungsturbine 5, ein Synthesegasverdichter 6 fluid ein Umwälzgebläse 7 angeordnet. Einem Reforming-Ofen 10 wird durch einen Unterwindventilator 11 Verbrennungsluft zugeführt, welche über einen Vorwärmer 12 und eine Leitung 13 einem Brenner zuströmt. Der Brenner wird über eine Leitung 15 mit Brennstoff versorgt. Vom Methanverdichter 3 komprimiertes Erdgas gelangt über eine Leitung '20 und einen im Reforming-Ofen 10

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angeordneten Vorwärmer 21 zu einem Mischgefäns 22, wo es mit aus einem ebenfalls im Reforming-Ofen angeordneten Ueberhitzer 23 kommenden, überhitzten Kitteldruckdampf verreinigt wird. Das Kethan-Dampf-Gemisch strömt sodann durch einen Primär-Reformer 25, worauf es in eine Vorkammer 2G eines Sekundär-Reformers 27 eingeführt wird. Vom Verdichter 4 komprimierte Luft strömt durch eine Leitung 30 und einen im Reforming-Ofen 10 angeordneten Prozessluftvorwärmer 31 ebenfalls in die Vorkammer 26 des Sekundür-Reformers 27. In diesem Sekundär-Reformer bildet sich ein sogenanntes Spaltgas, das im wesentlichen aus H«» H₂O, CO, CO₂ und N₂ besteht bei einem Zustand von 900⁰C und 40 ata.

Erfindungsgemäss strömt das Spaltgas über eine Leitung 40 in die Entspannungsturbine 5, in welcher es durch Entspannung auf 8 ata und 300⁰C auf 600⁰C gekühlt wird. Da diese Expansion In den_f gemessen an einem Wärmeaustauscher, sehr kleinen Volumen der Gasturbine stattfindet, ist die Abkühlungsgesehwindigkeit des Spaltgases bedeutend grosser als in einem Wärmeaustauscher. Dementsprechend wird das im Spaltgas bei 900⁰C herrschende „, Reaktionsg^elchgewicht praktisch ohne Verschiebung eingefroren. ^ .* Das Spaltgas wird unochliessend in einem Mitteldruck-Dampfer· T ituger 41 'reiter abgekühlt, worauf es in einem Konverter 42 ftlangt, i 1 welchem der CO-Anteil des Spaltgases katalytisch fu CO« ver>ronnt wird bei gleichzeitiger Freisetzung von Wasser stoff gas a in dem im Spaltgas enthaltenden Wasser. In einem

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nachgoschalteten 3peisewasser-Vorv;ärner 43 erfolgt eine weitere Abkühlung des Spaltgases, worauf es in einen Gasreiniger 44 tritt. Im Gasreiniger wird das geeignete Synthesegas, bestehend aus einem Raumteil I^ und zwei Raumteilen Hp sowie Spuren von Wasser, gebildet durch Abscheidung von CO, CO₂, Wasser und anderen Fremdstoffen über eineil Auslass 45. Das Synthesegas tritt mit einer Temperatur von rund 2O⁰C in den Synthesegasverdichter 6, in welchem es auf 300 ata verdichtet wird. In einem ansehliossenden Kühler 50 wird das verdichtete Synthesegas zurUckgekühlt auf 20⁰C, worauf es im Punkte 51 mit rezirkulierendem, ammoniakhaltigem Synthesegas gemischt wird. Das Gemisch strömt über eine Leitung 52 in einen Amiaoniakabscheider 53, aus dem das Ammoniak über eine Leitung 54 abgezogen und durch nicht gezeigte Mittel entspannt vird, während das Synthesegas über eine Leitung 55 dem Unr./älzgeblase 7 zugeführt wird. Das Synthesegas gelangt daraus über eine Leitung 60 in einen Wärmeübertrager 61, in v/elchem e3 auf ca. 200⁰C erhitzt wird und darauf in eine Syntheseanlagc 62 geleitet wird, in welcher durch Rekuperationswärme erhitzt, ein Toil des Synthesegas«s bei Temperaturen um 500⁰C zu Ammoniak kombiniert wird. Das Bynthosegas-Amnjoniak-Geraisch verlässt die Syntheseanlage 62 über eine Leitung 63 und wird in einem Vorwärmer 64 den Wärmeübertrager 61 und einem Kühler 6 5 in drei Stufen auf 20⁰C heruntergekühlt, worauf es im Punkte 51, wie oben erwähnt, mit dem aus dem Synthesegasverdichter 6 kommenden frischen Synthesegas gemischt wird.

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Zur Erzeugung des in Prozess verwendeten l'itteldruckdanipfes wird Speisewasser mittels einer Speisepumpe 70 dein Speinevjasser-VorKiirmer 43 zugeführt, worauf es in den Mitteldruck-Dair.pferzcuger 41 eingespeist wird. Der in diesen erzeugte Sattdampf gelangt über eine Leitung 71 in den in Reforning-Ofen 10 untergebrachten Ueberhitzer 23, aus welchen der überhitzte Danpf, wie schon oben erklärt, de:n l-Iischgefäss 23 zugeführt i-;ird. Der Von:arner 6-1 für das Synthesegas-An:noniak-Geinisch kann in die Speisewasserleitunf, zv;isehen dem Speisev/asr.er-Vorv/ärmer 43 und dem Mittcldruck-Danpferzeuger 41 eingeschaltet sein.

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Claims

gr JJarfmcht geändert Patentansprüche

1. Verfahren für die Ammoniaksynthese, \:obei das erzeugte Spaltgas zunächst mit hoher Kühlgeschvindigkeit gekühlt Vr'ird zwecks Einfrieren des Reaktionsgleichgevichtes, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mit hoher Kühlgeschvindigkcit mittels arbeitsleistendcr Entspannung des Spaltgases stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Spaltgases in einer Entspannungsturbine stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an die Entspannungskühlung eine Kühlung durch Wärmeaustausch erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die arbeitsleistende Entspannung zur Verfügung kommende Energie zumindest zum Teil benutzt wird zum Verdichten von Spaltgas und/oder Synthesegas.

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5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3.,
mit einem spaltgaserseugenden Teil uncl einer Abkühlungsvorrichtung für das Spaltgas darin, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlungsvorrichtung eine Entspannungsmaschine ist*

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,, dass die. EntspannungBfitaschine eine Entspannungsturbine ist,

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