DE2000961C3

DE2000961C3 - Vorrichtung zum Gewinnen eines Ammoniaksynthesegases

Info

Publication number: DE2000961C3
Application number: DE2000961A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr.-Ing. Zuerich Silberring (Schweiz)
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1969-12-24
Filing date: 1970-01-10
Publication date: 1975-01-16
Also published as: US3729547A; DE2000961A1; NL7001302A; CA936674A; DE2000961B2; CH523849A; GB1340340A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gewinnen eines Ammoniaksyntbesegases mit einem spaltgaserzeugenden Teil und einer Abkühlungsvorrichtung für das Spaltgas darin.

Bei der Amraoniaksynthese wird zunächst aus einer Kohleuwasserstoffverbindung, Luft und Dampf, ein im wesentlichen aus H₃, H₂O, CO, CO₂ und N_ä 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 etwa 600° C, und zwar mit hoher Kühlgeschwindigkeit, um das Reaktionsgleichgewicht einzufrieren, d.h., das bei900°Cherrschende Reaktionsgleichgewicht auch bei 600° C beizubehalten. Anschließend wird der Kohlenstoff (CO, CO*) xs 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 etwa 300 ata, erfolgt ao bei diesem Druck und bei einer Temperatur von etwa 500° C die eigentliche Ammoniaksynthese in einem besonderen Synthesekrehlauf.

Es ist bekannt, die Kühlung des Spaltgases zunächst in einem Hochdruck-Dampferzeuger durchzuführen. Der von diesem produzierte Frischdampf wird Dampfturbinen zugeführt, die den Energiebedarf der Ammoniak-Herstellungsanlage decken und gleichzeitig Mitteldruckd jipf für die Ammoniaksynthese abgeben. Der Dampferzeuger bietet gewisse konstruktive Probleme, Ja er gasseitig 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-Dampferzeuger·! 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 Abkühlungsvorrichtung eine Entspannungsmaschine ist. Der Vorteil ist, daß der Hochdruck-Dampferzeuger entfällt. Auch wird das Gewinnen des Ammoniaksynthesegases thermodynamisch günstiger, als wenn ein Hochdruck-Dampferzeuger verwendet wird. Die Kühlung des Spaltgases mittels einer Entspannungsmaschine 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 etwa 300 ata. Weitere Nachteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß des Hefen Druckes des Spaltgases wegen, der Mitteldruck-Dampferzeuger für den beim Synthese-Verfahren verwendeten Mitteldruckdampf eine größere Heizfläche aufweisen muß, und daß weiterhin auch die Einrichtung für die Umwandlung von CO zu CO₂ sowie die Einrichtung für die Reinigung des Spaltgases wegen dessen größeren Volumens mehr Raum erfordern. Diesen Nachteilen stehen jedoch die erwähnten großen Vorteile gegenüber. Die Entspannungsinaschine ist erfindungsgernäS vorteilhaft eine Entspannungsturbine; die Dampfturbinen können dann entfallen, da die Entspannungsturbine deren Punktion ausübt. Die Rotorweile der Entspannungsturbine kann die gemeinsame Antriebswelle für zumindest einen Teil der Verdichter und Gebläse der Vorrichtung bilden. Um die Vorrichtungsdispo' sltian zu vereinfachen» kann es zweckmäßig 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 Entspannungsturbine auf ein frequenzhaltendes Netz arbeiten und die genannten Elektromotoren ihren Energiebedarf wiederum aus diesem Netz beziehen, oder es können die verschiedenen elektrischen Maschinen zu einem vorrichtungsinternen Netz zusammengeschaltet sein. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, daß in dem vorrichtungsinternen Netz die Frequenz höher gewählt werden kann als die übliche Netzfrequenz, so daß sich die elektrischen und die Strömungs-Maschinen kleiner bauen lassen.

Der Entspannungsmaschine kann sich erfindungsgemäß ein Wärmeaustauscher anschließen, wodurch der für das Syntheseverfahren verwendete Mitteldruckdampf gewonnen wird.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Auf einer gemeinsamen Welle 1 sind ein Motor-Generator 2, ein Methanverdichter 3, ein Luftverdichter 4, eine Entspannungsturbine 5, ein Synthesegasverdichter 6 und ein Umwälzgebläse 7 angeordnet. Einem Reforming-Ofen 10 wird durch einen Ventilator 11 Verbrennungsluft zugeführt, welche über einen Vorwärmer 12 und eine Leitung 13 einem Brenner 14 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 angeordneten Vorwärmer 21 zu einem Mischgefäß 22, wo es mit aus einem ebenfalls im Reforming-Ofen angeordneten Überhitzer 23 kommenden, überhitzten Mitteldruckdampf vereinigt wird. Das Methan-Dampf-Gemisch strömt sodann durch den Primär-Reformer 25, worauf es in eine Vorkammer 26 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 Sekundär-Reformers 27. In diesem Sekundär-Reformer bildet sich ein sogenanntes Spaltgas, das im wesentlichen aus H₂, H₂O, CO, CO₂ und Ng besteht bei einem Zustand von 900° C und 40 ata.

Erfindungsgemäß strömt das Spaltgas über eine Leitung 40 in die Entspannungsturbine 5, in welcher es durch Entspannung auf 8 ata um 300^r C auf 600 C gekühlt wird. Da diese Expansion in dem, gemessen an einem Wärmeaustauscher, sehr kleinen Volumen der Gasturbine stattfindet, ist die Abkühlungsgeschwindigkeit des Spaltgases bedeutend größer als in einem Wärmeaustauscher. Dementsprechend wird das im Spaltgas bei 900⁰C herrschende Reaktionsgleichgewicht praktisch ohne Verschiebung eingefroren. Das Spaltgas wird anschließend in einem Mittetdruck-Dampferzeuger 41 weiter abgekühlt, worauf es in einen Konverter 42 gelangt, In welchem der CO-Anteil des Spaltgases katalytisch zu CO, verbrannt wird bei gleichzeitiger Freisetzung von Wasserstoffgas aus dem im Spaltgas enthaltenen Wasserdampf. In einem nachgeschalteten Speisewasser'Vorwärmer 43 erfolgt eine weitere Abkühlung des Spaltgases, worauf es in einen Gasreiniger 44 tritt. Im Oasreiniger wird das geeignete

Synthesegas, bestehend aus einem Raumteil N_s und drei Raumteilen H_g sowie Spuren von Wasserdampf, gebildet durch Abscheidung von CO, CO₉, Wasser und anderen Fremdstoffen über einen Auslaß 45. Das Synthesegas tritt mit einer Temperatur von rund 20° C in den Synthesegasverdichter 6, in welchem es anf 300 ata verdichtet wird. In einem anschließenden Kühler SO wird das verdichtete Synthesegas zurückgekühlt auf 20° C, worauf es im Punkt 51 mit rezirkulierendem, ammoniakhaltigem Synthesegas gemischt wird. Das Gemisch strömt über eine Leitung 52 in einen Ammoniakabscheider 53, aus dem das Ammoniak über eine Leitung 54 abgezogen und durch nicht gezeigte Mittel entspannt wird, während das Synthesegas über eine Leitung 55 dem Umwälzgebläse 7 zugeführt wird. Das Synthesegas gelangt daraus über eine Leitung 60 in einen Wärmeübertrager 61, in welchem es auf etwa 200° C erhitzt wird und darauf in eine Syntheseanlage 62 geleitet wird, in welcher durch Rekupcationswänne erhitzt, ein Teil des Synthesegases bei Temperaturen um 500° C zu Ammoniak kombiniert wird. Das Synthesegas-Ammoniak-Gemibjh verläßt die Syntheseanlage 62 über eine Leitung 63 und wird in einem Vorwärmer 64, den Wärmeübertrager 61 und ,5 einem Kühler 65 in drei Stufen auf 20° C heruntergekühlt, worauf es im Punkt 51, wie oben erwähnt, mit dem aus dem Synthesegasverdichter 6 kommenden frischen Synthesegas gemischt wird.

Zur Erzeugung des im Prozeß verwendeten Mittel- ₃„ druckdampfes wird Speisewasser mittels einer Speisepumpe 70 dem Speisewasser-Vorwärmer 43 zugeführv, worauf es in den Mitteldruck-Dampfcrzeuger 4* eingespeist wird. Der in diesem erzeugte Sattdampf gelangt über eine Leitung 71 in den im Reforming-Ofen 10 untergebrachten Überhitzer 23, aus welchem der überhitzte Dampf, wie schon oben erklärt, dem Mischgefäß 23 zugeführt wird. Der Vorwärmer 64 für das Synthesegas-Ammoniak-Gemisch kann in die Speisewasserleitung zwischen dem Speisewasser-Vorwärmer 43 und dem Mitteldruck-Dampferzeuger 41 eingeschaltet sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Gewinnen eines Ammoniaksynthesegases mit einem spaltgaserzeugenden Teil und einer Abkühlungsvorrichtung für das Spaltgas darin, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlungsvorrichtung eine Entspannungsmaschine ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannu::gsmaschine eine Entspannungsturbine ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsmaschine ein Wärmeaustauscher nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine zumindest den Kompressor zum Verdichten des Spaltgases und/oder den Kompressor zum Verdichten des Synthesegases antreibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen