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Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung des Ammoniak-
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aufbaues bei der katalytischen Ammoniaksynthese Bei exothermen katalytischen
Gassynthesen, insbesondere bei der Ammoniaksynthese, muß der Temperaturverlauf entlang
des Gasweges am Katalysator möglichst so eingestellt und kontrolliert werden, daß
optimale Ausbeuten erzielt werden können.
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Die Einhaltung der gewünschten Temperaturen erfolgt durch Abführung
der überschüssigen Reaktionswärme entweder durch direkte Kühlung mit kaltem, frischem
Synthesegas oder durch indirekten Wärmetausch mit fremden Kühlmedien wie Luft, Wasserdampf
oder flüssigen Medien verschiedener Art. Bevorzugt wird jedoch eine indirekte Kühlung
mit dem zuströmenden Synthesegas, dem ein Teil der überschüssigen Wärme aufgeladen
wird, um dieses an die Reaktionstemperatur heranzuführen.
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Der Wärmetausch kann sich innerhalb der Katalysatorschicht wie auch
außerhalb dieser in eigenen Wärmetauschersätzen vollziehen. Es bereitet jedoch in
der Praxis Schwierigkeiten, die optimale Temperaturlinie einzustellen, da die Meinungen
über ihren Verlauf stark streuen.
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Es steht fest, daß die höchstmögliche Ammoniakkonzentration bei gegebenen
Bedingungen durch die Gleichgewichtstemperatur festgesetzt ist.
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Es hat sich aber gezeigt, daß bei bisher bekannten Katalysatoren die
theoretisch höchstmögliche Ammoniakkonentration nicht erreicht werden kann, wenn
man noch.
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einen wirtschaftlich vertretbaren Durchsatz im Reaktor erreichen will.
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Es ist einhellige Meinung der Lehre und Praxis, daß die Reaktionstemperaturen
unterhalb der entsprechenden Gleichgewichtstemperaturen verlaufen müssen wenn eine
wirtschaftliche Optimierung der NH3-Ausbeute erreicht werden soll. Arbeiten, die
sich auf die Erreichung eines wirtschaftlich optimalen Ammoniakaufbaues beziehen,
liegen unter anderem von Temkin, Kjar und Nielson vor.
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über den Verlauf der optimalen Reaktionstemperaturen sind die Meinungen
jedoch verschieden. So liegt nach Temkin bei 10% NH3-Gehalt im Synthesegas und 300
atü die optimale Reaktionstemperatur nur 450 C unterhalb der Gleichgewichtstemperatur,
während nach Nielson bei vergleichbaren Bedingungen die optimale Reaktionstemperatur
960 C unterhalb der Gleichgewichtstemperatur liegen soll.
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Zu dieser Unsicherheit gesellen sich noch verschiedene, zum Teil sehr
abweichende Ansichten über die Nctwendigkeit der genauen Anpassung an die optimale
Temperaturlinie.
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So wird in der Praxis vorwiegend die Meinung vertreten, daß eine stufenweise
Anpassung an die Optimumslinie genügt, um annähernd optimale Ergebnisse zu erreichen.
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Von einem Teil der Fachleute wird die zwei- bis dreimalige Abkühlung
des reagierenden Gases auf die angenommene günstigste Reaktionstemperatur für ausreichend
angesehen.
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Obwohl eine mögliche Optimierung in größerem Ausmaße nicht bestritten
wird, verzichtet man in diesen Fällen darauf, um die Vorrichtung nicht zu komplizieren.
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Ein anderer Teil der Fachwelt hält eine subtilere, aber auch stufenweise
Heranführung an die optimalen Temperaturbedingungen für vorteilhafter und nimmt
eine kompliziertere Ausgestaltung des Reaktors in Kauf.
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Es war nun Aufgabe des Erfinders, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu finden, die eine weitere Steigerung der Ammoniakausbeute zu erzielen erlaubt,
d.h.,daß in der gleichen Zeiteinheit bei gleichem Volumen des Reaktors und bei gleichem
Katalysatorvolumen mehr Ammoniak erzeugt werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Erhöhung des
Ammoniakaufbaues bei der katalytischen Ammoniaksynthese in Hochdrucköfen mit reaktorinternem
Wärmetausch mit dem einströmenden Stickstoff-Wasserstoffgemisch als Synthesegas,
wobei das auf mindestens 3700 -3900 C vorgewärmte Synthesegas zunächst mit dem Katalysator
adiabatisch zur Reaktion gebracht wird1 dadurch gekennzeichnet, daß die adiabatische
Reaktion des Gases mit einer Katalysatorkorngröße von 3 - 6 mm zunächst bis zu einer
Ammoniakkonzentration fortschreiten gelassen wird, die etwa das 2,5 -fache der Ammoniakendkonzentration
beträgt, worauf vorerst durch Kühlung im Röhrenwärmetauschersystem von 12 Vol% -
20 Vol% Ammoniakkonzentration eine synthesegastemperatur von 85 - 650 C eingestellt
wird, dann aber bei Ammoniakkonzentrationen über 20 Vols eine Synthesegastemperatur
eingestellt wird, die 55 - 350 C unterhalb der beim Synthesedruck der örtlich gegebenen
Ammoniakkonzentration bestehenden Gleichgewichtstemperatur liegt und diese Synthesegastemperatur
stetig und praktisch stufenlos auf diesem Wert gehalten wird.
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Es konnte an Hand von Großversuchen und Berechnungen
festgestellt
werden1 daß durch eine stetige - bis zum Ausgang des Synthesegases aus der Katalysatorschüttung
-Anpassung der Reaktionstemperatur an die gefundene optimale Linie eine weitere
beachtliche Steigerung der Ammoniakausbeute zu erzielen ist Vor allem wirkt sich
die Anpassung an die gefundene Temperaturlinie dort aus, wo die NH3 Bildungsgeschwindigkeit
nach Erreichen höherer Ammoniakkonzentration langsamer wird.
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Zu diesem Zweck muß die entstehende Reaktionswärme gleich am Ort ihres
Entstehens abgeführt werden. Da mit steigender Ammoniakkonzentration die Gleichgewichtstemperatur
fällt, muß die Reaktionstemperatur auch dieser angepaßt werden und fällt somit stetig
in Richtung der Gasströmung.
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Durch die- Verlangsamung der Reaktionsgeschwindigkeit wird aber in
Strömungsrichtung immer weniger Reaktionswärme frei, was bei der Auslegung der Kühlorgane
zu berücksichtigen ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Kühlung indirekt durch Wärmetausch des
reagierenden Gases mit frischem Synthesegas vorgenommen, das damit auf die nötige
Reaktionstemperatur gebracht wird.
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Eine Kühlung durch Zugabe von Kaltgas an verschiedenen Stellen in
der Katalysatorschicht direkt zum Synthesegas ist auch möglich, doch zieht das eine
Verdünnung des Synthesegases nach sich.
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Als besonders günstig bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
hat sich die Verwendung von Katalysatoren üblicher Zusammensetzung mit einer Korngröße
von 3 - 6 mm erwiesen. Bei Verwendung kleinerer
Korngröße muß üblicherweise
mit einem mehr oder weniger nachteiligen Druckverlust gerechnet werden.
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Nach weiterer Überlegung konnte eine noch vorteilhaftere Ausgestaltung
des Verfahrens und der Vorrichtung gefunden werden, wobei diesmal durch intensivste
Kühlung im Röhrenwarmetauschersystem bereits im ersten und den nachfolgenden Wärmetauschern
(10), die außerhalb der Kontaktschüttung angeordnet werden und nach jedem Kontaktabschnitt
die Temperatur des reagierten Gases auf 370° -0 430 ° C herabgesetzt wird und z.B.
bei einem Druck von 310 at auf diese Weise praktisch bei gleichbleibendem Kontaktvolumen
von 25 m3 eine gleichhohe Endkonzentration von 22 Vol NH3 bei 4500 C erreicht wird.
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Dieser verfahrenstechnische Vorteil ergibt sich dadurch, daß von der
Kontaktschüttung her keine Druckbelastung besteht und somit die Rohre der Wärmetauscherbündel
enger aneinandergereiht, mit geringeren Wandstärken versehen werden und die Wärmetauschfläche
pro Einheit erhöht wird, wobei der Wärmeübergang der Gase durch das Kreuzstromprinzip
noch verstärkend wirkt und so das erforderliche Mehr an Kontaktvolumen gewonnen
wird.
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Daraus folgt eine wesentlich vereinfachte und ausgereifte Konstruktion
und somit ein wirtschaftlich billigeres Verfahren.
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Weiters konnte im Hinblick einer Verminderung des Druckverlustes bei
Verwendung eines kleinstückigen Katalysators von z.B. 3 - 6 mm ß sowohl eine einfache,
als auch strömungstechnisch vorteilhaftere Teilung des Gasweges gefunden werden,
ohne dabei einen endständigen Hauptwärmeiauscher, wie dies bei anderen Verfahren
erforderlich ist, verwenden za müssen.
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Zur Durchführung des ersterwähnten Verfahrens dient eine Vorrichtung,
bestehend aus einem Druckkörper (1) mit synthesegaszuführung (5) und Reaktionsgasabführung
(14), einem den Katalysator (8) vom Frischgasstrom trennenden Einsatzmantel (3),
einem innerhalb oder außerhalb des Reaktors befindlichen Vorwärmer des SyntheseCrischgases
und einem aus Rohren bestehenden, in der Katalysatorschicht eingebauten Wärmetauscher,
in dessen gaseingangsseitig gelegenem Ende in einem Abstand unterhalb der oberen
Begrenzungslinie die Katalysatorschicht liegt, gekennzeichnet durch eine innerhalb
des Ofeneinsatzmantels (3) liegende, durchgehende Katalysatorschicht (8), die vom
Deckel (2) des Katalysatorbehälters bis zum Boden desselben reicht, in die das aus
einer Vielzahl von Rohren (10) bestehende Wärmetauschersystem eingebaut ist, dessen
oberes Ende sich nach dem vom Deckel der Katalysatorschicht (8) aus gerechneten
oberen 1/10 bis 1/8 der Katalysatorschicht befindet, dessen Rohre (10) gleichmäßig
über den darunterliegenden Teil der Katalysatorschicht (8) verteilt sind und mittels
das Kühlmittel leitende Zwischenstückrohr (7) untereinander verbunden sind, wobei
der Wärmetauscher so ausgelegt worden ist, daß die wirksame Oberflache desselben
pro Raumeinheit des Katalysatorbehälters mit zunehmender Ammoniakkonzentration vom
Deckel der Katalysatorschicht stetig abnimmt und zur Unterstützung dieser Forderung
in den verschiedenen Höhen des Reaktors Zuleitungen zur Einspeisung von Kaltgas
in die Rohre (10) münden. Um die Temperaturen in erfindungsgemäßer Weise unterhalb
der jeweiligen Gleichgewichtstemperatur halten zu können, wobei das ständige Absinken
der freiwerdenden Wärme in Richtung Gasstrom zu berücksichtigen ist, müssen die
Wärmetauschflächen
pro Raumeinheit zum Gasausang hin stets abnehmen.
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Um eine genaue Regelung stets zu gewährleisten, sind in verschiedenen
Höhen des Reaktors Kaltgasiuleitungen zu den Wärmetauscherrohren vorgesehen. Durch
die Zugabe von Kaltgas in die Rohre kann insbesondere eine Feinregulierung besser
erreicht werden. Innerhalb des Spielraumes von 85 - 650 bzw. 55 - 35°Cunterhalb
der Gleichgewichtstemperatur ist es oft günstiger, jeweils tiefere Temperaturen
einzuhalten.
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Um die Abführung der überschüssigen Wärme gleich am Ort ihrer Entstehung
zu ermöglichen, ist der Wärmetauscher in der Katalysatorschüttung eingebettet. Dadurch
benötigt eine so ausgeführte Vorrichtung-wesentlich weniger Raum als andere Anlagen
mit eigenen Kühlabschnitten.
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Wird der so gewonnene Raum zusätzlich mit Katalysator gefüllt, so
ergibt sich eine zusätzliche Möglichkeit die Ammoniakausbeute zu erhöhen.
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Bei großen Einheiten erscheint die EntFernung des sogenannten Hauptwärmetauschers
aus dem Reaktor sehr vorteilhaft zu sein, wodurch weiterer Raum gewonnen werden
kann.
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Au£ diese Weise ist es möglich, zwei parallel geschaltete Katalysatorschiittungen
in einem Hochdruckbehälter unterzubringen. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn
Katalysatoren einer Korngröße von 3 - 6 mm, ggf. auch darunter, verwendet werden.
In solchen Fällen ist wegen der besseren Wirksamkeit solcher Katalysatoren ein kleineres
Schüttungsvolumen ausreichend. Außerdem bietet ein Katalysator kleinerer Körnung
einen höheren Widerstand, sodaß aus diesem Grunde eine Aufteilung des Gasstromes
auf zwei Schüttungen vorteilhafter ist.
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Das die Katalysatorschicht verlassende reagierte Synthesegas kann
direkt zur Dampferzeugung herangezogen werden
und erst das den
Dampferzeuger verlassende Gas zum Wärmetausch mit dem Frisch-gas unterworfen werden.
Auf diese Weise ist es möglich, wertvollen Hochdruckdampf zu erzeugen.
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Eine Vorrichtung mit parallel angeordneten Katalysatorschüttungen
gemäß der Erfindung ist in den Figuren 1 bis 8 schematisch und beispielsweise wiedergegeben.
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In allen Figuren wurden für die gleichartigen Bauelemente dieselben-Bezugszahlen
gewählt.
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Mit 1 ist der Mantel des Hochdruckbehälters bezeichnet, der mit dem
Deckel 2 abgeschlossen ist und in dessen Innenraum der Ofeneinsatz 3 eingebaut ist.
Zwischen dem Ofeneinsatz 3 und dem Druckmantel 1 befindet sich ein Ringraum 4, in
dem das durch den Gaseingang 5 eintretende frische Synthesegas zu den Eintrittstellen
6 der Wärmetauscherverbindungselemente 7 strömt. Von da aus gelangt es in die Sammelschächte
11 des Wärmetauschers. Die Sammelschächte können entweder nur peripher im Ofeneinsatz
3 angeordnet sein, wie in den Figuren 1, 2,5,6, Bezugsziffer 11 oder peripher und
zentral, wie in den Figuren 3,4, flezugsziPfer 11 und 12 oder auch durch konzentrisch
angeordneten Rohrringen 17, Figuren 7, 8.
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Die Sammelschächte sind mit den Wärmetauscherrohren 10 verbunden,
die zu Bündeln zusammengefaßt sind, wobei das Gas die einzelnen Bündel entweder
parallel oder hintereinander durchströmt. Die Bündel können in Untergruppen zusammengefaßt
sein, sodaß in einer Wärmetauscheruntergruppe die Rohre parallel durchströmt werden.
Die einzelnen Untergruppen sind durch Trennwände 16 in den Schächten 11 oder 12
so geschaltet, daß das Gas der einzelnen Rohrbündel in einem Sammelschacht vereint
wird und in die nächste Untergruppe eintritt. Um eine Auswechselung schadhafter
Wärmetauscherteile leichter vornehmen zu können, ist der Wärmetauscher in mehrere
Gruppen ausgebildet, die, miteinander durch die Verbindungselemente 7
verbunden
sind, die an den Stellen 18 lösbare Verbindungen haben. Nach Durchgang durch die
Wärmetauscher, in denen das frische Gas die überschüssige Wärme der Katalysatorschüttung
8 und dem Reaktionsgas entzieht und selbst auf die Reaktionstemperatur gebracht
wird, tritt es in den Sammelraum 13, von wo es in die beiden Katalysatorschüttungen
8 eintritt, diese axial durchströmt und durch den Gasausgang 14 den Reaktor verläßt.
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Um den Katalysator aus dem Reaktor entfernen zu können, sind zwischen
den beiden Katalysatorschüttungen und im Boden des Reaktors die Ablaßstellen 15
angebracht. Aus Vereinfachungsgründen wurde auf die Einzeichnung der Zuleitungen
für das Kaltgas in die Wärmetauscherrohre verzichtet.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein Reaktor mit zwei Katalysatorschüttungen
8 dargestellt, die auf den Rosten 9 aufliegen. In diese sind die Wärmetauscher eingebettet,
deren peripher gelegene Sammelschächte 11 durch senkrecht zur Gasströmungsrichtung
angeordnete Rohre 10 verbunden sind. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die Wärmetauscher
in Gruppen geteilt, die wiederum Untergruppen bilden, in denen die Rohrbündel parallel
durchströmt werden.
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Zur Umlenkung des Gasstromes von einer Untergruppe zur anderen dienen
die Trennwände 16. Die unterschiedliche Verteilung der Wärmetauschflächen im Katalysator
8 ist aus Vereinfachungsgründen nur angedeutet.
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In den Figuren 3 und 4 ist ein Reaktor mit einem Wärmetauscher dargestellt,
der neben zwei peripher gelegenen Sammelschächten 11 einen zusätzlichen, die Katalysatorschichten
8 in zwei symmetrische Hälften trennenden Sammelschacht 12 aufweist. Bei dieser
Anordnung strömt das frische Synthesegas durch die Rohre 7 in die peripheren Sammelschächte
11 und verläßt die jew ilige Wärmetauschergruppe durch den mittleren Sammelkanal
12.
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Eine weitere Unterteilung der Warmetauschergruppen in Unter gruppen
kann auch hier durch den Einbau von Trennwänden erreicht werden.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers,
in dem die, die Sammelschächte 11 verbindenden Rohre 10 erst in einer Schlange geführt
werden, bevor sie den gegenüberliegenden Schacht erreichen.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Wärmetauschers ist in
den Figuren 7 unde dargestellt. Der in die Katalysatorschicht 8 eingebettete Wärmetauscher
hat die dem Wärmetausch dienenden Rohre 10 in Strömungsrichtung des Gases angeordnet.
Diese Rohre 10 münden in ringförmigen, in der Katalysatorschicht 8 zueinander parallel
angeordneten Sammelschächten 17, die untereinander auf gleicher Ebene verbunden
sind.
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Im Zentrum der Anordnung befindet sich ein Sammelrohr 22, in dem das
frische Synthesegas im Gegenstrom zum eaktionsgas zum nächsten Wärmetauscherabschnitt
strömt. In den Wärmetauscherrohren 10 strömt das Gas entweder im Gleichstrom mit
dem Reaktionsgas, wie in Figur 7 unten angedeutet, oder im Gegenstrom zu diesem,
Figur 7 oben.
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In der Figur 8 sind nur zwei Ringschächte 17 dargestellt.
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In einer konkreten Vorrichtung wird sich die Anzahl der ringförmig
angeordneten Schächte 17 nach dem Durchmesser der Katalysatorschüttung richten,
An Stellen, die näher dem Gaseingang sind, werden die Rohre näher aneinander liegen
als in der Nähe des Gasausganges.
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Um Spannungen in den Rohren 10 besser ausgleichen zu können, sind
diese mit Dehnungsbögen versehen.
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gemäß Anspruch 2 Zur Durchführung des weiterwähnten Verfahrens/dient
beispielsweise eine Vorrichtung in Fig 1A und 2A und in Fig. 7 A und 8 A, bestehend
aus einem Druckkörper (1) mit Synthesegaszuführung (5) und Reaktionsgasabführung
(14)
und aus Katalysatorschüttungen (8, 8a, 8b) vom Frischgasstrom
trennenden Einsatzmantel (3), einen außerhalb des Reaktors befindlichen Vorwärmer
des Synthesefrischgases und ein bis zwei, oder mehrere, aus Rohren bestehende Rohrschlangenbündel
(10), die in zwei diametral einander gegenübrliegenden, peripher angeordneten, segmentförmigen
Schächten (11) münden, die jeweils nach jeder Kontaktschicht angeordnet und untereinander
durch Rohre (7) flexibel verbunden sind, wobei zur Einstellung bzw. Einhaltung der
Temperatur unterhalb der jeweiligen Gleichgeichtstemperatur in verschiedenen Höhen
des Reaktors Zuleitungen zur Einspeisung von Kaltgas in die Wärmetauscherrohre (10)
vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine innerhalb des Ofeneinsatzmantels (3)
liegende jeweils durch Rohrschlangenbündel unterteilte Katalysatorschicht, wobei
die Wärmetauscher so ausgelegt sind, daß die wirksame Oberfläche derselben pro Raumeinheit
des Katalysatorbehälters mit zunehmender Ammoniakkonzentration stetig abnimmt, wobei
zur Senkung des Druckverlustes bei kleinkörnigem Kontakt von 3 - 6 mm und kleiner,
nach dem ersten Kontaktabschnitt (8) und dem Wärmetauscher (10) sowohl das Synthesegas
als auch die nachfolgenden Kontaktschüttungen geteilt, sind, wobei die eine Kontakthälfte
(a) am trennenden Einsatzmantel (3) anliegt, die andere Yontakthälfte unter dem
zentralen Gaszuführungsrohr (12) angeordnet ist, welches sich glockenförmig erweitert
und als Kontaktbehälter (12a) dient und die Kontaktschüttung (8b) umschließt und
der entstehende Gasringraum (13), der bis zum trennenden Einsatzmantel (3) reicht,
das gleiche einyeschlossene Gasvolumen hat, wie das zentrale Gaszuführungsrohr (12)
und jeder Kontaktbehälter bzw. jede Kontaktschüttung von einem Lichtgitterrost (15)
getragen wird.
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Bei einem Kontaktstufensystem mit nur einer Kühlstufe ist es zur Erreichung
einer höheren Ammoniakendkonzentration jedoch erforderlich, daß zumindest ein Teil
der Wärmetauschkühlung innerhalb der zweiten Kontaktschicht angeordnet wird. (Fig.
11A und Fig. 12A).
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Man kann auch die Teilung im Ofensystem bereits in der ersten Kontaktstufe
(8) zur Verminderung des Differenzdruckes vornehmen. (Fig. 7A und Fig. UA).
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Die Überlegungen, die ein- zwei- bzw. drei- oder mehrmalige Stufenkühlung
in weiterer Fortsetzung durch eine vielschichtige Stufenkühlung zu ersetzen, führt
.wangsläufig wieder zu dem vorhin erwähnten Verfahren, nämlich zu einem aus Rohren
bestehenden, in der Katalysatorschicht eingebetteten Wärmetauscher.
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Außer den in Fig 1A und 2A geschilderten Rohrbündelwärmetauscher (10)
sind zwei weitere Wärmetauscher nach dem gleichen Prinzip, .jedoch mit einer-etwas
abgeänderten Rohrbündelführung im Quer- und Längsschnitt jeweils in den Figuren
3A und 4A und den Figuren 5A und 6A zu ersehen; die Konstruktion selbst ist bereits
in dem vorhin besprochenen Verfahren, Anspruch 6 und 7 wohl durch Rohre, die im.Ksontaktbett
liegen, beschrieben worden, die aber ansonsten auf dem gleichen Prinzip wie hier-ersichtlich,
aufgebaut und außerhalb der Kontaktschüttung angeordnct sind.
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Auch der vorhin angeführte Wärmetauscher, Anspruch 9, dessen Rohrbündelgruppe
im Kontaktbett stehend angeordnet ist, wird gleichfalls in zweigeteilter Form im
zweiten Reaktionsabschnitt zur Verminderung des Druckverlustes verwendet. (Fig.
12A).
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Damit das Synthesegas gezwungen wird, zwischen den beiden segmentartigen
Schächten (11) seine Reaktionswärme an die Kühlrohre abgeben zu können, sind außerhalb
dieser Kühlbündelsysteme sogenannte Blenden (16), siehe Fig. 2A eingebaut.
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Auch bei Anordnung weiterer Kontaktabschnitte wird in gleicher Weise
vorgegangen wie bereits geschildert wurde.
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Beispielsweise kann aber auch das zentrale GaszuEührungsrohr (12)
durch meh;rere über der Decke des Kontaktbehälters (12a) radial angeordnete Zuführungsrohre
ersetzt werden, wobei auch hier die Summe der Querschnitte bzw. Volumen der Einzelrohre,
den Querschnitt bzw.
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das Volumen des Zuführungsrohres (12) ergeben muß.
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(Fig. 9A und 1ob).
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Das Verfahren der Erfindung wird vorzugsweise bei einem Betriebsdruck
von 150 bis 310 at durchgeführt.
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Zunächst läßt man das vorgewärmte Synthesegas in Gegenwart des Katalysators
bis zu einer Ammoniakkonzentration reagieren, die das etwa 1/1,9 bis 1/2,5-fache
der Ammoniakendkonzentration beträgt, worauf durch Kühlung im Röhrenwärmetauschersystem
bei Ammoniakkonzentrationen von -12 bis 20 Volumprozent zunächst eine Synthesegastemperatur
von etwa 85 bis 650C unterhalb der Gleichgewichtstemperatur eingestellt wird, dann
aber bei Ammoniakkonzentrationen von über 20 Volumprozent eine Synthesegastemperatur
eingestellt wird, die 65 bis 400C unterhalb der beim Synthesedruck der örtlich gegebenen
Ammoniakkonzentration bestehenden Gleichgewichtstemperatur liegt, und diese Synthesegastemperatur
stetig und praktisch stufenlos auf diesem Wert gehalten wird.
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Innerhalb des Spielraumes von 85 bis 650C bzw. 65 bis 4O0C unterhalb
der Gleichgewichtstemperatur ist es oft günstiger,
jeweils tiefere
Temperaturen einzuhalten.
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Um die Abführung der überschüssigen Wärme gleich am Ort ihrer Entstehung
zu ermöglichen, ist der Wärmetauscher bzw. die Kühlrohre in der Katalysatorschüttung
eingebettet. Durch Variation der Rohrabstände, Rohrdurchmesser und Anzahl der Rohre
ist eine weitgehende Angleichung an die Optimumslinie möglich. Dadurch benötigt
eine so ausgeführte Vorrichtung wesentlich weniger Raum als andere Anlagen mit eigenen
Kühlabschnitten. Wird der so gewonnene Raum zusätzlich mit Katalysator gefüllt,
so ergibt sich eine zusätzliche Möglichkeit, die Ammoniakausbeute zu erhöhen.
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Weiters konnte durch Versuche festgestellt werden, daß der Abstand
zwischen Gleichgewichts- und Optimumslinie bei verschiedenen Drücken vornehmlich
zwischen 150 at und 310 at immer den gleichen Abstand über der MI3-tonzentration
aufgetragen aufweist. Zu einer Gleichgewichtstemperatur gehören verschiedene Konzentrationen,
aber in allen Fällen dieselbe Temperaturdifferenz. (Gleichgewichtslinie -Optimumslinie).
Sie hängt nicht von der wechselnden Konzentration ab.
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Im vorliegenden Optimalofen wird der Reaktor stets nur bis zur Optimumslinie
geführt ohne weiter hinaus zur Gleichgewichtslinie zu gehen. Bei Ofen wo hingegen
die Reaktion über die Optimumslini hinaus zur Gleichgewichtslinie reicht, nimmt
die Reaktionsgeschwindigkeit stark ab, wobei gleichzeitig uZesentlich mehr Kontaktvolumen
benötigt wird.
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Das Band von 200 C, welches für die Optimumslinie nachstehend angegeben
wird, dient demnach als gesicherter Abstand zwischen der Optimumslinie und
der
Gleichgewichtslinie gegenüber anderen Ofenkonstruktionen, d.h. mit dem Optimumofen
ist es möglich jeden beliebigen Punkt der Optimumslinie, kurz OL genannt, stufenlos
zu erreichen. Zum besseren Verständnis sei daher jedes Ofensystem, das über die
OL hinaus zur Gleichgewichts linie fortschreitet als Stufenofen bezeichnet.
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In der Beschreibung wurde beispielsweise ein Synthesegas mit etwa
2 Vol% NH3 und etwa 9 VolX Inerte (Methan und Argon) bei etwa 310 at Druck und 25
Kontakt angenommen.
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Üblicherweise wird das Synthesegas auf mindestens o o 370 - 390 C
vorgewärmt. Höhere Temperaturbereiche sollen tunlichst vermieden werden damit man
nicht bei adiabatischer Reaktion in Temperaturbereiche von 0 530 C kommt, wo bereits
die Aktivität des Kontaktes stark nachläßt.
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Die sonstigen Bedingungen für die katalytische Ammoniaksynthese, z.B.
hinsichtlich der angewendeten Katalysatoren usw. sind dem Fachmann bekannt. Einzelheiten
sind z.B. in Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, Band 3 (1953), Seiten
544 - 602 beschrieben, worauf hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.