DE2841127C2

DE2841127C2 -

Info

Publication number: DE2841127C2
Application number: DE2841127A
Authority: DE
Inventors: Robert D. Reed; Richard R. Tulsa Okla. Us Martin
Original assignee: John Zink Co
Current assignee: Zinklahoma Inc
Priority date: 1977-09-27
Filing date: 1978-09-21
Publication date: 1990-05-23
Also published as: FR2403831A1; DE2841127A1; JPS5461079A; US4166834A; NL7809279A; GB2004765B; CA1120697A; NL185914C; IT7851225A0; IT1106019B; GB2004765A; NL185914B; JPS5718935B2; FR2403831B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Sekundär-Reformieranlage für ein Ammoniak-Synthese-Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Reformieranlage ist bekanntgeworden aus der DE-OS 15 92 317. Aus der US-PS 35 19 396 ist es weiter be kanntgeworden, für einen in einem Sekundär-Reformer zur Her stellung von Synthesegas verwendeten Brenner wenigstens zwei Reihen von Auslaßdüsen für das oxidierende Medium vorzusehen, um Schäden an der Oberfläche des Katalysatorbettes zu ver meiden und eine rasche und vollständige Mischung der Reak tionspartner zu gewährleisten. Auch durch diese Maßnahme konnte aber eine Erosion des Katalysatorbettes nicht verhin dert werden.

Es wurde nun gefunden, daß bei Ausbildung des Injektorkopfes gemäß Patentansprüchen die Erosion des Katalysatorbettes unter bleibt.

Gegenstand der Erfindung ist die Vorrichtung für die Ammoniak synthese gemäß Patentansprüchen.

Gemäß der Erfindung wurde eine zylindrische Kammer an der Basis der Lufteinlaßleitung geschaffen. Es sind zwei Reihen von Strahlröhren vorgesehen, welche die Kammer durchsetzen und an dieser angebracht sind. Die Steuerung der Luftströmung in dem strömungsabwärts der Röhren befindlichen Bereich er fordert eine Rohrlänge, die wenigstens doppelt so groß ist wie der Durchmesser. Es sind am Umfang unter Abstand symmetrisch zwei Reihen von Röhren, in Radialebenen sich erstreckend, angeordnet, wobei in jeder Röhren reihe die gleiche Anzahl von Röhren besteht. Die Strahlröhren einer Gruppe befinden sich dabei jeweils in der Mitte zwischen den Ebenen der Strahlröhren der anderen Gruppe. Falls zehn Röhren in jeder Reihe vorgesehen sind, dann befinden sich die Röhren in vertikalen Ebenen jeweils unter einem Abstand von 18°. Auch sind die Reihen der Röhren unter einem Abstand voneinander angeordnet, welcher wenigstens 1,75 des Röhrendurchmessers entspricht, so daß alle Röhren im wesentlichen identischen Innendurchmesser besitzen.

Durch diesen dichten Abstand der Strahlröhren und der entsprechen den Luftstrahlen, welche in den Radialebenen unter einem bestimmten Winkel nach außen gerichtet sich erstrecken, so beispielsweise unter einem Winkel von 45°, wird ein Netzwerk von Luftstrahlen ge bildet, welches den ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Luft rohr und dem Einlaß zur Reformiereinheit überdeckt. Auf diese Weise wird eine turbulente Vermischung von Luft und der heißen Verfahrensgase erzielt, derart, daß eine Flamme entsteht, in welcher das chemische Verfahren abläuft, wenn sich die Gase unter Druck durch das horizontale Katalysatorbett nach unten bewegen.

Die große Anzahl der Luftstrahlen und deren Winkelanordnung, durch welche eine Vermischung mit dem Verfahrensgas gewähr leistet wird, verhindert ein direktes Aufprallen des Verfahrens gases auf der Oberfläche des Katalysators, wodurch eine turbulente Vermischung mit den Katalysatorpartikeln, ein Aufbrechen in feine Partikel und eine Blockierung der Zwischenräume im Katalysator, also eine Reduzierung der Durchlässigkeit in Kauf genommen werden müßte. In gleichem Maße müßte ein sich aufbauender Gegendruck in Kauf genommen werden, wenn das Gas durch das Katalysatorbett strömt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Fig. 1 und 1A zeigen eine Ammoniak-Synthese-Vorrichtung gemäß Stand der Technik;

Fig. 2 und 2A zeigen eine Ammoniak-Synthese-Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 und 4 zeigen eine Seitenansicht und eine Stirnansicht des Luft-Injektorkopfes gemäß der Erfindung;

Fig. 5 und 6 sind Schnitte längs der Linie 5-5 und 6-6 von Fig. 4; und

Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linie 7-7 von Fig. 4.

In Fig. 1 ist mit der Vorrichtung 10 eine Ausführungsform ge mäß Stand der Technik wiedergegeben. Die Vorrichtung 10 weist einen Behälter mit einem konisch sich erweiternden oberen Teil 12 und einem zylin drischen unteren Teil 14 auf. Ein rohrförmiger Teil 18 erstreckt sich vertikal nach unten und ist am konischen Teil befestigt. Der ge samte Behälter bzw. Kessel, welcher aus Stahlplatten besteht, ist mit einem geeigneten hitzebeständigen Material 16 an sich bekannter Art ausgekleidet. Der Basisteil des Behälters ist bis auf ein vorbe stimmtes Niveau mit einem geeigneten Katalysator 32 von an sich be kannter Art gefüllt, welcher an der Fläche 34 endet. An der Basis des Reaktors ist eine nicht dargestellte Leitung vorgesehen, um Gase abzuleiten, welche an der Oberseite des Behälters eingefüllt wurden und welche das Katalysatorbett passieren, derart, daß sie zum Zwecke weiterer Verarbeitung in bekannter Weise vom Boden des Behälters abgezogen werden.

Entlang der Achse des oberen zylindrischen Teils 18 erstreckt sich ein Luftrohr 22, in welches Luft gemäß Pfeildarstellung 24 unter Druck eingeleitet wird. Am unteren Ende des Luftrohres 22 befindet sich eine Kammer 28, welche mehrere Röhren 44 trägt. Diese Röhren erstrecken sich unter vorbestimmten Winkeln durch die Wand der Kammer und sind am Umfang unter Abstand angeordnet als auch durch ein geeignetes hitzebeständiges Material geschützt. Die unter hohem Druck stehende Luft erzeugt Luftstrahlen in Form eines koni schen Flächenmusters bzw. in Form einer Reihe von Strahlen.

Das Verfahrensgas strömt durch den Ringraum 20 nach unten, welcher zwischen dem zylindrischen Teil 18 und dem Luftrohr 22 besteht, wo bei die Strömung gemäß Pfeildarstellung 26 erfolgt. Ein Teil dieses nach unten strömenden Gases wird durch die Strahlen geschnitten, so daß eine Vermischung bzw. Verbrennung oder chemische Ver einigung stattfindet.

Da zwischen den einzelnen Luftstrahlen Zwischenräume bestehen, gelangt ein gewisser Anteil des Verfahrensgases direkt nach unten in die Mitte des Behälters. Diese Hochgeschwindigkeitsströme ver ursachen eine turbulente Vermischung der Katalysatorpartikel. Durch dieses Aufprallen und Vermischen werden die Partikel in eine große Anzahl sehr kleiner Partikel aufgeteilt. Unter dem Druck des nach unten in das Bett des Katalysators strömenden Gases besitzen die Partikel die Neigung, die kleinen Zwischenräume zu blockieren. Diese Reduzierung der Permeabilität des Katalysators führt zu einem erhöhten Widerstand gegenüber der Strömung und infolge dessen zu einem Druckaufbau innerhalb des Behälters im Bereich oberhalb des Katalysators.

Dieser Bereich des Katalysators ist als der schraffiert wiedergege bene Bereich 33 dargestellt. In diesem Bereich ist die Permeabili tät oder Durchlässigkeit reduziert, so daß auch die Wirksamkeit des Katalysators in diesem Bereich herabgesetzt ist.

In Fig. 1A ist in Stirnansicht die Beziehung der Luftstrahlen und der Flamme bezüglich des Querschnitts des ringförmigen Raumes 20 wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß große Flächen 20 durch den Bereich 30 von Luftströmung und Flammenbildung nicht über deckt sind.

In Fig. 2 ist die Anordnung des Luft-Strahlkopfes dargestellt, welcher etwa doppelt so viele Luftröhren aufweist, derart, daß eine entsprechend große Anzahl von Luftstrahlen aus der Kammer austritt. Infolge der größeren Anzahl von unter gleichförmigem Abstand bestehenden Säulen von Luft, die aus den Röhren austreten, besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, daß das Gas 26 nicht durch die Luftstrahlen geschnitten wird. Die Strömung der Luft strahlen und des Verfahrensgases, durch die Pfeile 38 dargestellt, verläuft also nicht geradlinig nach unten, wie dies in Fig. 1 wieder gegeben ist, sondern es besteht eine turbulente Vermischung mit der Luft. Es wird ein mehr oder weniger gleichförmiges Luft- und Heiß gasgemisch über die gesamte Oberfläche 34 des Katalysators 32 ge leitet. Die nicht überdeckte Fläche 22 ist also kleiner. Unter dem Druck des in den oberen Teil des Behälters 10 A eintretenden Gases setzt sich dieses nach unten durch den Katalysator 32 fort, wie durch die Pfeildarstellung 40 wiedergegeben ist, so daß das Gas den nicht dargestellten Auslaß am Boden des Reaktorbehälters erreicht.

Es ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß der Mittelteil des Katalysator bettes infolge der Strömungsenergie des Prozeß- oder Verfahrens gases nicht erodiert oder ausgehöhlt ist. Der Erosions- und Aus füllungseffekt verändert sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit des Gases. Durch das Aufprallen des Verfahrensgases auf die Luft strahlen und durch die turbulente Durchmischung besitzt das Gas eine weniger gerichtete Geschwindigkeit im Raum oberhalb des Kata lysators. Der Erosionseffekt und das Aufbrechen des Katalysators in kleine Partikel, welche die Strömungskanäle verstopfen könnten, ist also weniger stark.

Durch die Aushöhlung wird die Kontaktzeit zwischen dem Gas und dem Katalysator während der Gasströmung durch den Katalysator außerdem herabgesetzt. Infolge dieser verkürzten Kontktzeit müßte in Kauf genommen werden, daß ein Teil der in die Kammer gelangenden Kohlenwasserstoffe nicht am chemischen Verfahren teil nehmen und deshalb entweichen können. Diese beiden Auswirkungen sind sehr unerwünscht und stellen den Ausgangspunkt für die erfin dungsgemäße verbesserte Konstruktion dar.

Durch die turbulente Vermischung der Luftstrahlen und des Prozeß gases besteht eine mehr oder weniger gleichförmige Dichte des Pro zeßgases bei Vermischung mit Luft und eine gleichförmige Geschwin digkeit in unterschiedlichen Richtungen. Die turbulente Auswirkung auf das Katalysatorbett wird auf ein Minimum reduziert. Ein mehr oder weniger gleichförmiger Gasdruck drückt das Gasgemisch durch das Katalysatorbett nach unten.

In Fig. 3 und 4 ist in Seiten- und Stirnansicht eine verbesserte Konstruktion des Luft-Injektorkopfes 29 wiedergegeben. Gemäß Fig. 3 sind die Röhren in einem geeigneten hitzbeständigen Material eingeschlossen. Die Oberseite des konisch geformten Kopfes, näm lich der Kegel 50, ist mit einer Stahlplatte bedeckt, um das hitze beständige Material gegenüber der nach unten gerichteten Strömung von Verfahrensgasen zu schützen.

In Fig. 4 ist die Anordnung vor Montage des Schutzkegels 50 und des hitzebeständigen Materials dargestellt. Es ist ersichtlich, daß zwei Reihen von unter Abstand angeordneten Röhren in der Wand 22 A einer Kammer 25 eingeschweißt sind, wobei die Anordnung durch eine Bodenplatte 23 und durch das Luftrohr 22 umschlossen ist. Es sind zwei Sätze von Röhren vorgesehen, ein oberer Satz 46 und ein unterer Satz 46 A. Die Röhren sind in gleicher Anzahl vor handen und sind unter gleichen Winkelbeträgen unter Abstand vonein ander angeordnet. Der untere Satz ist bezüglich des angrenzenden Satzes 46 um jeweils einen halben Winkel versetzt vorgesehen. Falls beispielsweise zehn Röhren in jeder Reihe bestehen, dann beträgt der Winkel zwischen angrenzenden Röhren in der Draufsicht nach Fig. 4 etwa 18°. Das nach unten strömende Verfahrens- oder Pro zeßgas wird also nahezu vollständig durch die Luftstrahlen durch schnitten, was gemäß der Erfindung zu lösen war.

Fig. 7 stellt eine Schnittansicht von Linie 7-7 in Fig. 4 dar. Es ist die Konstruktion nach Fig. 3 wiedergegeben, wobei jedoch nur je weils eine Röhre der beiden Sätze 46 und 46 A dargestellt ist. Je weils eine Röhre der beiden Sätze ist auch mit gestrichelten Linien in Fig. 3 wiedergegeben.

Gemäß der Erfindung wurde eine große Zunahme in der Anzahl der Strahlröhren erreicht. Es wurde außerdem ein kleinerer Winkelabstand erzielt, welcher die Verwendung der zwei Sätze von Strahlröhren möglich macht. Auch stellt die Verwendung rohr förmiger Öffnungen zum Zwecke radialer Befestigung an der in der Mitte befindlichen Luftkammer und die kontinuierliche Umhüllung dieser Röhren mit dem hitzebeständigen Material zum Zwecke un beeinträchtigter Luftabgabe eine weitere Verbesserung dar. Es ist auch eine bessere Überdeckung der strömungsabwärts der Röhren bestehenden Bereiche ermöglicht, da jeder Öffnungskreis mit einer maximalen Anzahl von Röhren besetzt ist. Außerdem sind die Röhren der oberen und unteren Sätze stufenweise zueinander und unter glei chen Abständen angeordnet. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendiger weise, sind die Öffnungen bzw. Strahlröhren jeweils unter gleichem Winkel zur Achse angestellt. So ist der Winkel zwischen der Achse der Röhren und der vertikalen Achse des Luftrohres für jede der Strahlröhren gleich. Es ist dadurch sichergestellt, daß der Ab stand zwischen den Auslässen der Luftröhren für jedes angrenzende Paar von Röhren im wesentlichen gleich ist. Gegenseitige Sogwirkung oder Anziehung der Niederdruckbereiche innerhalb jedes Stromes wird dadurch verhindert. Es wird auch ein Zusammenbrechen der erzeugten Flamme vermieden, da Luft aus jedem Rohr austritt und eine Berührung und Durchmischung mit Verbrennungsgasen bei einer Temperatur eingeht, die jeweils über dem Zündpunkt liegt.

Vorzugsweise sind zehn Strahlröhren in der oberen Gruppe und zehn Strahlröhren in der unteren Gruppe vorgesehen, wie dies dargestellt ist. Es kann jedoch jede beliebige Anzahl von Röhren vorgesehen sein, um eine möglichst vollständige kreisförmige Überdeckung der Strömungsbereiche zu erzielen. Der wesentliche Punkt ist darin zu sehen, daß im wesentlichen der gesamte ringförmige Querschnitt des nach unten strömenden Verfahrensgases durch die Luftstrahlen geschnitten wird, wodurch die nach unten gerichtete Gasströmung eine Vermischung mit den Luftstrahlen eingeht.

Claims

1. Sekundär-Reformieranlage für ein Ammoniak-Syntheseverfah ren mit einem zylindrischen Druckreaktor, dessen konisch zu laufender oberer Teil in eine vertikale, axiale Einlaßleitung übergeht, wobei in der Einlaßleitung ein axial angeordnetes Luftrohr angebracht ist, das an der Oberseite einer zylindri schen, am unteren Ende geschlossenen Luftkammer angeschlossen ist, die in einen Luft-Strahlkopf mündet, wobei die Wand der Luftkammer von einer Mehrzahl von Luft-Strahlröhren mit einer Länge von wenigstens dem doppelten Innendurchmesser derselben durchsetzt ist, die je unter einem bestimmten Winkel in einer gedachten Radialebene in bezug auf die Kammerachse angestellt sind, und ferner mit einer konischen Metallabdeckung, die die Luft-Strahlröhren mit dem gleichen Winkel in bezug auf die Kammerachse abdeckt, sowie einer Einrichtung zum Einleiten eines Verfahrensgases nach unten in den Ringraum zwischen der Einlaßleitung und dem Luftrohr, wobei der die Luft-Strahlröh ren umgebende Raum unterhalb der Metallabdeckung mit hitzebe ständigem Material gefüllt ist, das sich bis zum Ende der Luftstrahlröhren erstreckt, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Verhinderung einer Erosion des Katalysatorbettes durch darauf aufprallende Verfahrensgase

- am Umfang der Luftkammer (25) symmetrisch zwei Reihen von Luftstrahlröhren (46, 46 A), die sich in gedachten Radial ebenen erstrecken, derart angeordnet sind, daß sie in bezug auf die Axiallage (der Luftkammer) einen vorbestimmten Ab stand aufweisen
- jede Reihe eine gleiche Anzahl von Luft-Strahlröhren be sitzt
- die gedachten Radialebenen, in denen sich die Luft-Strahl röhren (46) der einen Reihe erstrecken, die Winkel zwischen den Paaren benachbarter Röhren (46 A) der anderen Reihe hal bieren und
- die Länge der Luft-Strahlröhren (46) in der einen, oberen Reihe größer ist als die Länge der Luft-Strahlröhren (46 A) der anderen, unteren Reihe.

2. Sekundär-Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft-Strahlröhren (46, 46 A) der beiden Reihen einen vertikalen Abstand haben, der wenigstens dem 1,75fachen des Innendurchmessers der Luft-Strahlröhren entspricht und daß alle Luft-Strahlröhren einen identischen Durchmesser besitzen.