DE2710247A1 - Verfahren zur ammoniaksynthese und konverter hierfuer - Google Patents
Verfahren zur ammoniaksynthese und konverter hierfuerInfo
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Description
Der neue Ammoniak-Konverter für radiale Strömung durch zwei Katalysatorbetten weist einen zentralen Wärmeaustauscher
in der Mitte des einen Katalysaotrbetts auf. Das Prozeßgas erhält man durch Vereinigung getrennter
Gaszuströmungen innerhalb des Konverters. Der äußere Strom dient zur Kühlung des Konvertermantels und der Austauscherstrom
zur Kühlung des inneren Wärmeaustauschers und schließlich gibt es einen Nebenstrom für die Temperatureinstellung
des Prozeßgases. Das Prozeßgas durchströmt hintereinander radial das erste Katalysatorbett nach innen
und den zu kühlenden zentralen Wärmeaustauscher und radial das zweite Katalysatorbett.
Die Synthese von Ammoniak erfolgt mit Hilfe eines Synthesegases, welches im wesentlichen aus 3 Teilen H2
und 1 Teil N2 besteht und welches bei erhöhtem Druck und
erhöhter Temperatur einen Katalysator durchdringt, der in einem oder mehreren Betten angeordnet ist. Obwohl die
Konzentration an Wasserstoff und Stickstoff im Synthesegas in etwa dem stöchiometrischen Verhältnis für die
Ammoniak-Bildung entspricht, erhält man keine vollständige Umsetzung zu Ammoniak durch einmaligen Durchgang des
7üSö38/ü760
-i-
Synthesegases durch den Konverter. Der Grund dafür liegt darin, daß die Gleichgewichtskonzentration von Ammoniak
in einem stöchiometrischen Synthesegas unter normalen Betriebsbedingungen unter 20$, insbesondere zwischen 15
und 18 V0I.-56, liegt. Nachdem der Hauptteil des Ammoniaks
aus dem Synthesegas nach Verlassen des Konverters abgeschieden wird, so wird das restliche Synthesegas mit
einer Restkonzentration an Ammoniak in den Konverter zusammen mit frischen Synthesegas rückgeführt.
Die Energiekosten für Verdichtung und Rückleitung des Synthesegases sind bei der Ammoniakproduktion wesentlich.
Das bedeutet, daß große Einsparungen erreicht werden können durch Erhöhen des Anteils an Ammoniak unter
gegebenen Arbeitsbedingungen, der je Volumeneinheit Synthesegas durch den Katalysator erzeugt werden kann .
Mit anderen Worten ist eine hohe Ammoniak-Konzentration des Reakticnsjases aus dem Katalysator wesentlich für die
Wirtschaftlichkeit der Ammoniaksynthese.
Die Ammoniaksynthese ist eine exotherme Reaktion, d.h. die Temperatur des Synthesegases steigt bei Durchgang
durch den Katalysator an. Dieser Temperaturanstieg verschiebt die Gleichgewichtskonzentration gegen
niederere' Ammoniak-Konzentrationen. Es ist daher wesentlich, den Temperaturanstieg zu begrenzen durch Kühlen
von entweder Katalysator oder Synthesegas. Es gibt bereits die verschiedensten Kühlverfahren.
Aus der GB-PS 1 204 634 ist es bekannt, den Katalysator in dem Konverter in zwei oder mehreren getrennten
Katalysatorbetten anzuordnen und das kalte Synthesegas zwischen die Betten einzuführen. Dies geschieht durch
einfache Mittel und ohne einer ungebührlichen Komplikation
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-r-
des Betriebs. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß das teilweise umgesetzte Synthesegas mit nicht-reagiertem
Synthesegas, also frischem Synthesegas,verdünnt wird, wodurch die Ammoniak-Konzentration der Reaktionsprodukte
aus dem letzten Katalysatorbett herabgesetzt ist.
Die Verdünnung von teilweise reagiertem Synthesegas kann vermieden werden, wenn man indirekt kühlt. Dazu werden
ein oder mehrere Wärmeaustauscher entweder direkt in einem Katalysatorbett oder zwischen getrennten Katalysatorbetten
vorgesehen. Die Kühlung erfolgt durch Umleitung von kaltem Synthesegas durch die Wärmeaustauscher, wodurch auch ihre
Vorwärmung stattfindet. Das Kühlmedium des letzten Wärmeaustauschers kann Druckwasser sein, welches dann für die
Dampferzeugung herangezogen wird.
Bisher fand jedoch die indirekte Kühlung noch keine weite industrielle Anwendung. Dies beruht in erster Linie
auf dem nötigen Einbau von Wärmeaustauschern und Verrohrung für das Kühlmedium mit seinem nicht zu unterschätzenden
Platzbedarf. Insbesondere wenn die indirekte Kühlung auf einer Dampferzeugung beruht, sind die erforderlichen Anlagen
recht kompliziert, da das Kühlwasser durch den Konvertermantel zu und aus dem äußeren Dampferzeuger geleitet
werden muß.
Erfindungsgemäß werden diese Probleme nun eliminiert oder zumindest verringert, indem die Ammoniaksynthese in
einem neuen Konverter nach einem neuen Verfahren hergestellt wird, bei dem Synthesegas zwischen den Katalysatorbetten
durch indirekten Wärmeaustausch gekühlt wird mit einem kühleren Synthesegas durch Verwendung eines Wärmeaustauschers,
welcher unter sehr einfaohen Betriebsbedingungen einen minimalen Platzbedarf hat.
- 4 709838/0750
Nach der Erfindung umfaßt der neue Ammoniak-Konverter für die Synthese unter erhöhtem Druck bei erhöhter Temperatur
(a) einen Konvertermantel im wesentlichen zylindrischer Form,
(b) ein erstes Katalysatorbett mit einem kreisringförmigen Querschnitt zwischen einer inneren und einer äußeren
konzentrischen durchbrochenen Wand und zwei gegenüberliegenden Katalysatorplatten, befestigt an den durchbrochenen
Wänden, und zwar derart, daß das Synthesegas dieses erste Katalysatorbett in radialer Richtung durchströmt,
(c) ein zweites Katalysatorbett in der Art des ersten, welches axial mit dem ersten Katalysatorbett ausgerichtet
ist und langer ist als dieses. Das Synthesegas durchströmt das zweite Katalysatorbett in radialer
Richtung nach Verlassen des ersten Katalysatorbetts,
(d) innerhalb der inneren durchbrochenen Wand von einem der Katalysatorbetten ist zentral ein Zwischenwärmeaustauscher
vorgesehen, in dem das Synthesegas durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Austauschstrom
von Synthesegas gekühlt wird,
(e) Zuführungen der einzelnen Synthesegasströme, Rohrleitung zur Überführung des ersten Gasstroms als Austauschstrom
durch den Wärmeaustauscher an eine Stelle an der Achse des Konverters, wo dieser mit einem
zweiten Strom vereinigt wird, der als Nebenstrom
zur Einstellung der Prozeßtemperatur dient.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Synthese von Ammoniak bei erhöhtem Druck und Temperatur in dem erfin-
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dungsgemäßen Konverter laufen folgende Verfahrensschritte ab:
(a) Den Prozeßstrom erhält man an einer Stelle entlang der gemeinsamen Achse der Katalysatorbetten, wobei zugeführte
Ströme von Synthesegas angewandt werden, von denen ein Teil ursprünglich zur Kühlung des Konvertermantels
diente (Mantelkühlstrom) und zur Kühlung des
Zwischenwärmeaustauschers (Austauscherstrom) und der andere Teil als Nebenstrom dient zur Einstellung der
Temperatur des Prozeßstroms.
(b) Der Prozeßstrom wird mit der eingestellten Temperatur radial durch das erste Katalysatorbett und durch den
Zwischenwärmeaustauscher und radial durch das zweite
Katalysatorbett geführt.
Die Erfindung wird anhand der Figuren weiter erläutert.
Fig. 1 bis 6 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konverters im Längsschnitt,
Fig. 7 ist ein Diagramm.aus dem ein Vergleich des bekannten
und des erfindungsgemäßen Ammoniaksyntheseverfahrens möglich wird.
Der erfindungsgemäße Konverter ist aufgebaut aus einem Mantel 11 mit Zuführung 12 für Mantelstrom-Synthesegas und
13 für Austauscherstrom-Synthesegas sowie 14 für die Zuführung des Nebenstrom-Synthesegases. Im Mantel befindet sich
auch die Abführung 15 des Reaktionsgases. In manchen Fällen kann derselbe Synthesegasstrom zuerst als Mantelstrom und
anschließend als Austauscherstrom dienen, so daß man keine Zuführung 13 (Fig. 2, 3 und 5) benötigt.
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Die wesentlichen Teile des erfindungsgemäßen Konverters sind das erste Katalysatorbett 21, das zweite Katalysatorbett
22, der zentrale Wärmeaustauscher 41 innerhalb eines der Katalysatorbetten und die zentrale Leitung 42, die sioh
durch das andere Katalysatorbett erstreckt. Diese zentrale Leitung dient zur Verbindung mit einem der Ströme.
Der Wärmeaustauecher 61 (Fig. 1 und 6) im Bodenteil
des Konverters ist nicht erfindungswesentlich und kann auch entfallen (Fig. 2, 3, 4 und 5). Zur Erleichterung der Überwachung
und Wartung der wesentlichen Katalysatorteile ist der gegebenenfalls mit einem abnehmbaren Deckel 16 vers
ehen.
Die Katalysatorbetten 21, 22 sind um eine Achse ausgerichtet. Sie sind zu dieser zylindrisch. Innerhalb der
zylindrischen Bohrung des einen Katalysatorbetts befindet sich der zentrale Wärmeaustauscher 41 und des anderen
Katalysatorbetts die zentrale Leitung 42.
Das erste Katalysatorbett 21 ist ringförmig und zwischen zwei konzentrischen durchbrochenen Wänden 23, 24
angeordnet. Diese Lochwände Bind an ihrem unteren Ende mit einer Katalysatorplatte 25 fixiert, die das erste
Katalysatorbett trägt. Oben sind die Lochwände 23, 24
verbunden mit der Platte 26, die den ersten Katalysator abschließt und den zweiten Katalysator trägt. Um das
Ein- und Ausbauen des Katalysators im Bett 21 zu erleichtern, ist die Platte 26 mit einem entfernbaren Verschluß
(nicht gezeigt in Pig. 1) versehen, der geöffnet werden kann, wenn der Raum des zweiten Katalysatorbetts
leer ist.
Wie das erste Katalysatorbett 21 so ist auch das zweite Katalysatorbett 22 ringförmig und befindet sich
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* 27102A7
zwischen zwei konzentrischen Lochwänden 27» 28, die unten
getragen werden von der Platte 26 und oben befestigt sind mit der Katalysatorplatte 29. Während des Ein- und Ausbaus
der Katalysatoren oder deren Teile wird die Katalysatorplatte 29 abgehoben.
Für optimale Betriebsbedingungen sollte das zweite Katalysatorbett größer sein, also langer sein, als das
erste.
Bei dieser AusfUhrungsform befindet sich der zentrale
Wärmeaustauscher innerhalb der Bohrung des ersten Katalysatorbetts. Zwischen dem zentralen Wärmeaustauscher 41 und
der inneren Lochwand 23 befindet sich ein Ringraum 52 zur
Aufnahme des Prozeßgases aus dem ersten Katalysatorbett.
Der zentrale Wärmeaustauscher 41 kann aus einer Vielzahl von parallelen Rohren 43 bestehen. Das Kühlmedium in Form
des Austauscherstroms fließt durch die Rohre während das Prozeßgas aus dem Ringraum 52 um die Rohre streicht, wodurch
es vor Eintritt in das zweite Katalysatorbett 22 erwärmt wird. Der Wärmeaustauscher kann auf einem beliebigen
Prinzip arbeiten, so kann er z.B. auch ein Plattenaustauscher sein.
in der Bohrung des 2.Katalysatorbetts Sie zentrale Leitung 42/dient zur Zuführung des Austau
scher Stroms zum zentralen Wärmeaustauscher 41. Zwisohen
der zentralen Leitung 42 und der inneren Lochwand 27 besteht ein Ringraum 53 zur Aufnahme des Prozeßstroms zum
zweiten Katalysatorbett 22.
Ein Zylinderblech 31 mit einem Ringraum 55 entlang
des Mantels 11 dient zur Einführung des Mantelstroms über
bildet
Zufuhr 12 und elu^Ringraum 54 um das zweite Katalysatorbett. In ähnlicher Weise umschließt ein Zylinderblech 32 das erste Katalysatorbett 21 und bildet einen Ringraum 51.
Zufuhr 12 und elu^Ringraum 54 um das zweite Katalysatorbett. In ähnlicher Weise umschließt ein Zylinderblech 32 das erste Katalysatorbett 21 und bildet einen Ringraum 51.
- 8 709838/0750
Es gibt noch weitere Nebenwege zur Leitung · des Mantelstroms aus dem Kingraum 55 durch den Bodenwäremeaustauscher
61 in den Ringraum 51. Bei Durchgang durch diese Nebenwege vereinigt sich der Mantelstrom mit dem Nebenstrom, der bei
14 eintritt, und dem Austauscherstrom aus dem zentralen Wärmeaustauscher 41 zu dem Prozeßstrom für das erste
Katalysatorbett.
Die Wege der Ströme treffen sich auf dem Punkt 45 an der gemeinsamen Achse der Katalysatorbetten. Von diesem
Punkt aus gehen die Ströme radial nach außen über die radialen Wege 46 an die Außenseite des ersten Katalysatorbetts.
Bei dieser radialen Strömung erfolgt ein Durchmischen der Ströme zur Verhinderung von Temperaturunterschieden
im Synthesegas.
Die Pig. 2 bis 6 zeigen nun andere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Konverters. In den Pig. 2 bis 5 ist
kein unterer Wärmeaustauscher 61 gezeigt, bei den Pig. 5. und 6 ist die Strömung durch des zweite Katalysatorbett
nach innen gerichtet. Da die verschiedenen Teile gegenüber der Ausführungsform nach Pig. 1 anders angeordnet
sind, so sind auch die Zuleitungen und Umleitungen der verschiedenen Ströme innerhalb des Konverters anders. Die
wesentlichen Gesichtspunkte und die Punktionsweise ist jedoch überall gleich. Im folgenden werden also die Pig. 2
bis 6 nur hinsichtlich der Abweichungen von Pig. 1 behandelt.
Bei der Ausführungsform nach Pig. 2 dient der Mantelstrom
im wesentlichen als Austausoherstroin. Daher gibt es
keine Zuführung 13 für den Austauscherstrom. Die zentrale
Leitung dient zur Aufnahme des Mantelstroms und Weiterleitung in den zentralen Wärmeaustauscher 41, wo dieser als
Austauscherstrom dient. Ansonst entspricht die Ausführungsform
der der Pig. 1.
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- jr-
Der einzige Unterschied zwischen der Ausführungsform
nach Pig. 3 gegenüber Fig. 2 liegt darin, daß der zentrale Wärmeaustauscher 41 sich nun in der Höhe des zweiten Katalyeatorbetts
22 befindet. Dies bedeutet, daß der Mantelstrom direkt in den zentralen Wärmeaustauscher 41 als Austauscherstrom
eintreten kann,während die zentrale Leitung 42 den Austauscherstrom aufnimmt. Eine weitere Folge ist,
sich
daß der Ringraum 53 zwischen innerer Lochwand 27 und zentralem Wärmeaustauscher 41 und der Kingraum 52 zwischen
der inneren Lochwand 23 und der zentralen Leitung 42 befindet.
Bei der Ausführungsform der Fig. 4 befindet sich das erste Katalysatorbett 21 über dem zweiten Katalysatorbett
22, d.h. 21 ruht auf der Katalysatorplatte 26 und wird abgeschlossen von der Katalysatorplatte 29, während 22
auf der Platte 25 ruht und abgedeckt wird von der Platte 26. Der zentrale Wärmeaustauscher 41 befindet sich innerhalb
des ersten Katalysatorbetts. Aus der Fig. 4 ergbit sich, daß die relative Anordnung der Katalysatorbetten
die Leitungen für die verschieben Ströme so vereinfacht, daß man kein Zylinderblech 32 für den Ringraum 51 benötigt.
Pig. 5 zeigt nun eine andere Anordnung von Katalysatorbetten 21 und 22 sowie des zentralen Wärmeaustauschers
41 gegenüber der Fig. 4. Diese Änderung der Anordnung wurde vorgenommen, um eine nach innen gerichtete
Strömung durch das zweite Katalysatorbett 22, nämlich aus dem Ringraum 54 in den Raum 53(zu ermöglichen. Dazu muß
die Katalyeatorplatte 26 der Pig. 4 ersetzt werden durch
zwei Katalysatorplatten 26a und 26b, um einen Gasdurch-
der
tritt zwischen den Betten 21, 22 zu ermöglichen. Bei Ausführungsform
nach Fig. 5 benötigt man jedoch das Zylinderblech 32 für den Ringraum 51 um das erste Katalysatorbett
21.
- 10 709838/07 5R
Die AusfUhrungsform nach Fig. 6 entspricht der nach Fig. 5
mit zusätzlich einem Wärmeaustauscher 61 im Boden des Konverters.
Bei den Ausführungsformen nach Fig. 5 und 6 gestatten die beiden getrennten Katalysatorplatten 26a und 26b ein Herausnehmen
des ersten Katalysatorbetts mit dem zentralen Wärmeaustauscher 41 für Inspektion, Wartung und Katalysatoraustausch·
Im folgenden wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Konverters an den Fig. 1 bis 6 erläutert.
Den Prozeßstrom aus Synthesegas, der durch den Katalysator streichen soll, erhält man durch Kombinieren von zwei oder
mehreren Strömen. Diese Ströme werden als Mantelstrom bei 12,als Austauscherstrom bei 13 und als Nebenstrom bei 14
zugeführt. In manchen Fällen wird kein Bodenwärmeaustauscher angewandt. Der Mantelstrom kann auch noch als Austauscherstrom
dienen, so daß man keine Zuleitung 13 dafür benötigt. Ist jedoch kein Bodenwärmeaustauscher vorhanden, so kann es
für flexible Betriebsführung zweckmäßig sein, getrennte Ströme (Mantelstrom und Austauscherstrom) nach Fig. 4 zu haben.
Ist ein Bodenwärmeaustauscher 61 vorhanden, ist eine getrennte Zuführung von Mantelstrom und Austauscherstrom erforderlich
(Fig. 1 und 6).
Der Prozeßstrom aus den Synthesegasströmen-nach entsprechender Einstellung der Geschwindigkeit und Temperatur im Hinblick
auf den im ersten Bett vorhandenen Katalysator - aus dem Ringraum 51 durchströmt radial nach innen gerichtet das
erste Katalysatorbett 21· Von dem Ringraum 52 strömt der Prozeßstrom
vom heißen Ende durch den zentralen Wärmeaustauscher 41, wobei sich der Austauscherstrom aufwärmt und der Prozeßstrom
gekühlt wird. Nach Verlassen des zentralen Wärmeaustauschers strömt der Prozeßstrom durch den Ringraumf53 (Fig.1
bis 4) bzw. 54 (Fig.5 und 6) radial durch das zweite Katalysatorbett
22, so daß man im Ringraum 54 (Fig. 1 bis 4)
709838/07 SO -11-
bzw. 53 (Pig. 5 und 6) Reaktionsgas erhält.
PUr eine Ammoniakanlage mit einer Kapazität von 1000 dato
kann ein erfindungsgemäßer Konverter nach Fig. 1 angewandt werden. Die beiden Katalysatorbetten waren gefüllt mit einem
Katalysator der Körnung 1,5 bis 3 mm; Volumen des Bettes 12 m5 und des Bettes 22 29 m5. In der Tabelle 1 ist die Zusammensetzung
der verschiedenen Ströme zusammengefaßt; Arbeitsdruck etwa 270 kg/cm2.
Als Mantelstrom dienten 151 480 Nnr/h ^i t einer Temperatur
von etwa 1200C. Nach Eintritt bei 12 gelangte der
Hantelstrom über den Ringraum 55 in den unteren Wärmeaus-
und
tauscher 61 wurde dort durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Reaktionsgas erwärmt y das.bei 15 abgezogen wurde.
tauscher 61 wurde dort durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Reaktionsgas erwärmt y das.bei 15 abgezogen wurde.
Der Austausoherstrom in Form von 191 450 Nnr/k mit
einer Temperatur von etwa 1200C wurde bei 13 eingeführt
und gelangte durch die zentrale Leitung 42 in den zentralen Wärmeaustauscher 41» wo er zur Kühlung des Prozeßstroms,
der vom ersten Katalysatorbett 21 in das zweite Katalysatorbett 22 strömx, Der* Austauscherstrom verließ
den zentralen Wärmeaustauscher mit einer Temperatur unmittelbar bei der Reaktionstemperatur und vereinigte sich
mit dem den unteren Wärmeaustauscher 61 verlassenden Mantelstrom.
Bei 14 wird ein Nebenstrom von 40 000 NmVb- und etwa
120°C eingeführt und vereinigt sich entlang der gemeinsamen Achse der beiden Katalysatorbetten mit dem Mantelstrom und
dem Austauscherstrom unter Bildung des Proaeßetroms von 382 930 Nur/*1 mit einer Temperatur von 36O0C.
- 12 709838/0755
Die relativen Anteile dieser drei Ströme für den Prozeßstrom
kann während des Betriebs so eingestellt werden, daß bei Eintritt in das erste Katalysatorbett 21 die gewünschte Temperatur herrscht.
über den Ringraum 51 gelangteder Prozeßstrom in das erste
Katalysatorbett, worin seine Temperatur durch die exotherme Reaktion auf 5200C anstieg ; die Ammoniakkonzentration stieg
von 3,5 auf 14,4 Vol.-96. Der Prozeßstrom gelangte nun durch den
zentralen Wärmeaustauscher 41, worin er auf 39O°C abgekühlt
wurde,und schließlich über den Ringraum 53 in das zweite Katalysatorbett 22, wo er auf 472°C erhitzt wurds und die Ammoniakkonzentration auf 20,8 Vol.-96 stieg-.. Der Produktstrom ging
nun weiter durch den Ringraum 55 in den unteren Wärmeaustauscher 61 und würde mit etwa 36O0C bei 15 ausgetragen·
Das Beispiel 1 wurde nur hinsichtlich des angewandten Konverters variiert, nämlich in diesem Fall nach den Figuren 2 bis
T a b e 1 1 el Beispiel Konverter, Fig. Leistung dato
Katalysatorvolumen, nr
1.Bett
2.Bett Zusammensetzung, Vol.-96
am Eintritt in !.Katalysatorbett
am Austritt des 1.Katalysatorbetts
H2
N2
NH3
H2
NH2
NH3
Intergase
1 - 6
1 - 6
1 000
12
19
63,4 96
21.1 % 3,5 *
12.0 %
54.2 9ί
18.1 96 14,4 %
13.3 96
709838/0750
- 13 -
VoI | - ys - | .-96 | 27 | H2 | 1 | 0247 | 96 | |
2. | AS | Katalysatorbetts | N2 | 96 | ||||
Zusammensetzung, | NH, | 96 | ||||||
am Austritt des | Inertgase | 48,9 | 96 | |||||
16,3 | ||||||||
20,8 | ||||||||
14,0 | ||||||||
- 14 -
709838/0750
T a b e 1 1 e
O CD OO CO OO
Nm3/h Il |
Mantelstrom Austauscherstrom |
151,480 191,450 |
322,930 | 322,930 | 322,930 | 322,930 | 131,480 211,450 |
> | I X |
It η |
Nebenstrom Prozeß-Strom, Eintritt I.Bett Reaktionsstrom Austritt , Konverter |
40,000 382,930 |
60,000 382,930 |
60,000 382,930 |
60,000 382,930 |
60,000 382,930 |
40,000 382,950 |
vo | |
η | Eintritt Jn Konverter | 328,090 | 328,090 | 328,090 | 328,090 | 328,090 | 328,090 | VJl | |
°C | Eintritt in 1. Bett | 110 | 237 | 237 | 237 | 237 | t 150 |
||
It | Austritt aus I.Bett | 360 | 360 | 360 | 360 | 360 | 360 | ||
Il | Eintritt in 2. Bett | 520 | 520 | 520 | 520 | 520 | 520 | ||
Il | Austritt aus 2.Bett | 390 | .390 | 390 | 390 | 390 | 390 | KJ | |
η | Austritt aus Konverter | 472 | 472 | 472 | 472 | 472 | 472 | -J | |
Il | 345 | 472 | 472 | 472 | 472 | 385 | CD | ||
—: | |||||||||
Aus den Beispielen 1 und 6 ergibt sich, daß der untere Wärmeaustauscher 61 das Reaktionsgas abkühlt, bevor dieses über
15 ausgetragen wird. Ohne dieser Kühlung liegt die Austrittstemperatur aus dem Konverter sehr viel höher· Obwohl solche
hohen Temperaturen eine sorgfältigere Auswahl der warmfesten
austauscher entfallen, / dort wo man den Wärmeinhalt der Reaktionsgase für die Erzeugung von Hochdruckdampf verwerten will
(Beispiele 2 bis 5 und Fig. 2 bis 5)·
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konverter liegt in der hohen Ammoniakproduktion je Volumeneinheit Synthesegas,
das durch den Katalysator strömt. Diese hohe Produktion beruht auf der Kühlung des Prozeßstroms zwischen den beiden
Katalysatorbetten ohne Verdünnung in Verbindung mit der Möglichkeit, die gewünschten Temperaturen bei Eintritt in jedes
Katalysatorbett aufrecht zu erhalten. Für optimale Leistung des Katalysators müssen die Temperaturen der Katalysatorbetten
unabhängig voneinander gewählt werden können. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Konverter möglich dirch die Änderung
der rebtiven Geschwindigkeit der einzelnen Ströme.
Dieses vorteilhafte Verhalten des erfindungsgemäßen Konverters wird noch durch die Kurven deutlich, die die Änderung der
Ammoniakkonzentration mit der Temperatur in den beiden Katalysatorbetten
zeigt (Figur 7). Kurve A betrifft die thermodynamische Gleichgewichts-Konzentration und der Zusammensetzung des Synthesegases
nach Beispiel 1. Kurve B zeigt diejAnnäherung an dieses
Gleichgewicht bei 1O°C, was als vernünftig für die Praxis anzusehen
ist.
Die restlichen Kurven in Figur 7 zeigen die Änderungen hinsichtlich
Temperatur und Ammoniakkonzentration im Prozeßstrom während des Durchgangs durch die Katalysatorbetten für zwei
- 16 709838/0750 ^
unterschiedliche Fälle. Der eine Fall - ausgezogene Linie entspricht
den Bedingungen des Beispiels 1. Synthesegas wird mit 36O0C in das erste Katalysatorbett eingeleitet
und hat eine Ammoniakkonzentration von 3,5 %» Während der
Prozeßstrom das erste Katalysatorbett durchdringt, ändern sich diese beiden Parameter entlang der ausgezogenen Linie
1-2. Beim Austritt aus dem ersten Katalysatorbett beträgt die Temperatur 520 C und die Ammoniakkonzentration 14,4 %.
Vor Eintritt in das zweite Katalysatorbett wird der Prozeßstrom durch indirekten Wärmeaustausch abgekühlt, das bedeutet,
daß die Parameter sich entlang der ausgezogenen Linie 2-3a (bei konstanter Ammoniakkonzentration) ändern. Bei Eintritt
in das zweite Katalysatorbett ist die Temperatur 390 C und die Ammoniakkonzentration noch 14,4 %.
Bei Durchtritt des Prozeßstroms durch das zweite Katalysatorbett ändern sich die Parameter entlang der ausgezeogenen
Linie 3a-4, sodaß bei Austritt aus dem zweiten Katalysatorbett die Temperatur 4720C und die Ammoniakkonzentration
20,8 % beträgt.
Der andere Fall ist in der Figur 7. durch die unterbrochene Linie unter ähnlichen Bedingungen wie im Beispiel 1 gezeigt,
jedoch anstelle der Abkühlung des Prozeßstroms zwischen den beiden Katalysatorbetten durch indirekten Wärmeaustausch erfolgt
sie durch direktes Abschrecken. Dies hat keinen Einfluß auf das erste Katalysatorbett und die Parameter ändern
sich wieder entlang der ausgezogenen Linie 1-2. Während des Abkühlens sinkt jedoch die Ammoniakkonzentration durch das
Kühlgas, welches dem Prozeßgas nach Verlassen des ersten Katalysatorbetts zugesetzt wurde. Die Parameter ändern sich
somit entlang der unterbrochenen Linie 2-3b. Bei Eintritt in das zweite Katalysatorbett ist die Temperatur 39O°C, wegen
der Verdünnung jedoch die Ammoniakkonzentration nur 10,5 %»
Während des Durchgangs durch das zweite Katalysatorbett ändern
709838/0750 - 17 -
sich die Parameter entlang der unterbrochenen Linie 3b-4
und bei Austritt aus dem zweiten Katalysatorbett beträgt die Temperatur 4930C und die Ammoniakkonzentration 18 96.
Aus der Figur 7 geht also die vorteilhafte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den neuen Konvertern
hervor. Erfindungsgemäß gelingt eine wesentliche Steigerung der Produktion an Ammoniak Je Volumeneinheit Synthesegas,
das durch die Katalysatorbetten streicht.
8183
"709838/0750
Leerseite
Claims (9)
- Patentansprüche1· Verfahren zur Ammoniaksynthese bei erhöhtem Druck und Temperatur in einem Konverter, indem ein Prozeßstrom aus Synthesegas hintereinander radial durch ein erstes Katalysatorbett, einen Wärmeaustauscher zur Abkühlung des Synthesegases in indirektem Wärmeaustausch und radial durch ein zweites Katalysatorbett strömt und ein Synthesegasstrom zur Kühlung des Konvertermantels und des Reaktionsgases dient, dadurch gekennzeichnet, daß man den Prozeßgasstrom erhält durch Vereinigung von zumindest zwei getrennten Strömen von Synthesegas vor Eintritt in das erste Katalysatorbett, wobei der eine Strom als Austauschmedium in dem Wärmeaustauscher und der zweite Strom als Nebenstrom für die Einstellung der Temperatur des Prozeßgases dient.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe eines dritten Synthesegasstroms den Konvertermantel kühlt und diesen dann den anderen Strömen zuführt.
- 3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe des Stroms aus dem Wärmeaustauscher den Mantel des Konverters kühlt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß man die Ströme an einer Stelle der Achse des Konverters zusammenführt.708838/0760- 2 ORIGINAL INSPECTED1A-49
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Prozeßstrom von außen nach Innen radial durch das erste Katalysatorbett leitet.
- 6. Konverter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 aus einem Mantel, einem ersten und einem zweiten Katalysatorbett, die ringförmig entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, einem Wärmeaustauscher zwischen den Katalysatorbetten für indirekten Wärmeaustausch des Prozeßgases und Zylinderbleche zur Ausbildung von Ringräumen um die Katalysatorbetten und innerhalb des Konvertermantels, gekennzeichnet durch Leitungen für zumindest zwei Ströme, wobei in der Leitung des einen Stroms ein Wärmeaustauscher für indirekten Wärmeaustausch zwischen einem der Ströme und dem Prozeßstrom nach dessen Austritt aus dem ersten Katalysatorbett vorgesehen ist und sich der Wärmeaustauscher im Zentrum eines der Katalysatorbetten befindet.
- 7. Konverter nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η ze i c h η e t, daß eine dritte Leitung für einen dritten Strom vorgesehen ist entlang dem Konvertermantel und zur Mündung in den zweiten Strom.
- Θ. Konverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Wärmeaustauscher für indirekten Wärmeaustausch zwischen Prozeßstrom nach dessen Verlassen des zweiten Katalysatorbetts und dem dritten Strom vorgesehen ist.
- 9. Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strom entlang des Mantels vor Eintritt in den Wärmeaustauscher geführt ist.
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