DE3707605A1

DE3707605A1 - Ammoniaksynthese mit integriertem kaeltekreislauf

Info

Publication number: DE3707605A1
Application number: DE19873707605
Authority: DE
Inventors: Andrija Dr Fuderer
Original assignee: FUDERER MICHAEL
Current assignee: FUDERER MICHAEL
Priority date: 1987-03-10
Filing date: 1987-03-10
Publication date: 1988-09-22

Description

Stand der Technik

In der modernen Ammoniaksynthese wird das Synthesegas von einem Druck von etwa 30 bar bis auf den Synthesedruck, meistens zwischen 160 und 260 bar verdichtet. Vorzugsweise werden dabei durch Dampfturbinen angetriebene Turboverdichter angewendet. Wegen des niedrigen Molekulargewichts des Synthese gases sind dabei hohe Rotorumlaufgeschwindigkeiten oder viele Stufen nötig. Das aus dem Reaktor austretende heiße Gas enthält zwischen 12 und 25 mol% Ammoniak und wird zwecks Ab scheiden des Ammoniaks und Wärmeaustausch in mehreren Stufen abgekühlt, im allgemeinen bis zwischen 0°C und -20°C. das kon densierte Ammoniak wird als flüssiges Produkt abgeschieden. Das abgekühlte Gas enthält nur noch zwischen 1 und 4 mol% Ammoniak und wird nach kaltem und heißem Wärmeaustausch zum Reaktor zurückgeführt.

Das Abkühlen des Kreislaufgases unter 0°C geschieht im Verdampfer einer Kälteanlage. Das Kältemittel Ammoniak verdampft dabei bei Drücken von 2-6 bar, es wird auf etwa 15-20 bar ver dichtet, durch Wasserkühlung bei 35-45°C verflüssigt und zum Verdampfer zurückgeführt. Bei dem herkömmlichen Synthesever fahren ist damit ein separater Kältekreislauf ein teuerer Kältemittelverdichter und Antriebsmaschine nötig. Das Kälte mittel verdampft bei konstanter Temperatur was nicht ideal geeignet ist um den Synthesegasstrom abzukühlen und zu er höhtem Energieverbrauch führt. Um Energie zu sparen wendet man häufig zweistufige Kühlung mit zwei Verdampfer. Beispiels weise verdampft das Kältemittel in der einen Stufe bei +3°C und 5 bar und in der anderen Stufe bei -19°C und 2 bar. Die Zwischenstufen des Kältemittelverdichters müssen diesen Drücken angepaßt werden, was die Anlage weiter kompliziert und den Energieverbrauch erhöht.

Die Lösung

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ebenfalls Ammoni ak als Kältemittel verwendet, aber das Verdampfen geschieht bei hohem Gesamtdruck, beispielsweise bei 33 bar, weil das flüssige Ammoniak zum frischen Synthesegasstrom zugegeben wird. Im Synthesegas ist anfänglich der Gehalt von Ammoniakdampf und der Partialdruck von Ammoniak niedrig und die Verdampfung be ginnt deshalb bei niedriger Temperatur, beispielsweise bei -25°C. Während der fortschreitenden Verdampfung erhöht sich allmählich der Partialdruck des Ammoniakdampfes und die Ver dampfungstemperatur beispielsweise auf +25°C, so daß die Kälte leistung zwischen -25 und +25°C erhalten wird. Es hat sich gezeigt, daß diese Kälteerzeugung bei gleitender Temperatur sich ideal zur Gegenstromabkühlung des Synthesegases eignet. Die zwei Verdampfer sind nicht mehr nötig.

Das verdampfte Kältemittel wird zusammen mit dem Syn thesegas verdichtet. Ein mehrstufiger Kälteverdichter samt Antriebsmaschine, Öl- und Regelsystem und Zwischenkühler fällt weg. Das Verdichten des Synthesegas-Ammoniakgemisches bringt auch weitere Vorteile:

- Das Molekulargewicht ist höher, etwa 11 anstelle von 8,6 und eine niedrigere Umlaufgeschwindigkeit oder niedrigere Stufen zahl des Zentrifugalverdichters ist erforderlich. Der Wir kungsgrad des Verdichters ist höher.
- Der Massen- und Volumenstrom sind höher und Turboverdichter können auch bei niedrigeren Anlagekapazitäten angewendet werden.
- Die höhere spezifische Wärme und die stärkere Entropieabwei chung vom idealen Gas ergeben ungewöhnlich niedrige Verdich tungstemperaturen und eine weitere Erniedrigung des Energie verbrauchs.

Das Ammoniaksyntheseverfahren mit integriertem Kältekreis lauf ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kälte durch Zugabe und Verdampfen von Ammoniak in das Synthesegas erzeugt wird und daß das Synthesegas und das verdampfte Ammoniak zusammen in einem gemeinsamen Kompressor verdichtet werden.

Beschreibung des Verfahrens

Das Verfahren wird zunächst mit einem Beispiel und mit Hilfe des Fließbildes an Fig. 1 näher beschrieben. Die Durch sätze und Mengen in KgMol/Stunde werden im Beispiel kurz mit "mol" bezeichnet.

In einer Anlage mit einer Tagesproduktion von 1000 Tonnen Ammoniak werden 5200 mol Frischsynthesegas bei 30 bar und 35°C durch Leitung 1 zum Wärmeaustauscher 42 geführt. Die Zusammen setzung des Synthesegases in mol% ist: Wasserstoff 74,1, Stickstoff 24,8, Argon 0,3, Methan 0,6 und Wasserdampf 0,2. Zur Vermeidung von Eisbildung im Wärmetauscher 42 wird zum Synthesegas eine kleinere Menge flüssigen Ammoniaks (z. B. 0,2%) durch Leitung 2 hinzugefügt. Das auf -10°C abgekühlte Synthese gas wird in zwei Ströme verteilt: Zu 540 mol in Leitung 4 und 4660 mol in der Leitung 3. Zum Gas in der Leitung 4 werden 400 mol flüssigen Ammoniaks mit -10°C durch Leitung 6 zugefügt und wegen Verdampfung fällt die Temperatur auf -22°C. Die Verdampfung setzt sich im Wärmeaustauscher 42 fort, bis nur noch 100 mol Flüssigkeit übrigbleiben. In der Leitung 8 strömen also 540 mol Synthesegas, 300 mol Ammoniakdampf und 100 mol Ammoniak als Flüssigkeit bei 29 bar und 24°C, zum Abscheider 39. Der größere Teil des Synthesegases wird durch die Leitung 3 in den Verdampfer 40 geführt und durch Leitung 5 3700 mol flüssigen Ammoniaks mit etwa 30 mol gelöstem Gas bei -10°C beigefügt. Die Temperatur am kalten Ende des Verdampfers 40 ist -22°C und am warmen Ende +25°C, wobei 2900 mol von Ammoniak verdampfen. Das Gemisch von 4690 mol Gas, 2900 mol Ammoniakdampf und 800 mol Flüssigammoniak wird durch die Leitung 7 ebenfalls zum Abscheider 39 geführt. Nach Abscheiden der Flüssigkeit wird das Gemisch von 5230 mol Gas und 3240 mol Ammoniakdampf durch Leitung 18 zum Verdichter 36 geführt und in diesem zunächst auf 75 bar verdichtet. Im Zwischenkühler 35 wird das Gemisch auf 35°C abgekühlt, wobei 1580 mol Ammoniak kondensiert. Vom Abscheider 34 wird das flüssige Ammoniak zum Abscheider 39 geführt, während das Gemisch von 5230 mol Gas und 1640 mol Ammoniakdampf weiter auf 180 bar verdichtet werden und durch die Leitung 19 zum Kondensator 37 geführt werden. Im Kondensator 37 werden durch Wasserkühlung bis auf 35°C etwa weitere 800 mol Ammoniak verflüssigt. Die weitere Kühlung erfolgt mit Kaltgas im Wärme austauscher 41 auf -2°C. Das aus dem Reaktor 31 austretende Gasstrom von 17600 mol enthält 17 mol% Ammoniak (2992 mole) und wird in den Wärmeaustauschern 32, 33 und dem wassergekühl tem Kondensator 37 auf 35°C abgekühlt, wobei ebenfalls etwa 800 mol Ammoniak verflüssigt werden. Anschließend wird das Gemisch im Verdampfer 40 auf -13°C gekühlt. Etwa 300 mole des auf -13°C abgekühlten Gases werden durch die Leitung 20 aus dem Kreislauf ausgeschleust um die Häufung von Argon und Methan im Kreislaufgas auf 5 bzw. 10 mol% zu begrenzen. Die Gasströme aus Wärmetauscher 41 und Verdampfer 40 werden in der Leitung 13 miteinander vermischt und mit einer Temperatur von -10°C zum Abscheider 43 geführt. Durch die Leitung 21 fließt 20 050 mol Gas mit 2,7 mol% Ammoniak zum Wärmeaustauscher 31, Kreislaufgebläse 38 und Wärmetauscher 33 zum Reaktor 31. Das im Abscheider separierte flüssige Ammoniak wird wie erwähnt durch Leitungen 5 und 6 zu den Synthesegasströmen in den Lei tungen 3 und 4 zugegeben. Das flüssige Ammoniakprodukt kann aus den Abscheider 39 bei 25°C entnommen werden. Falls ein kälteres Produkt gewünscht wird, kann ein Teilgasstrom aus dem Verdampfer 40 durch die Leitung 9 zum Abscheider 39 geführt werden, um das flüssige Ammoniak auf 0°C abzukühlen. In ähn licher Weise kann ein Teil des Produktes mit frischem Synthese gas in Gegenstrom auf -33°C gekühlt werden.

Die Leistung des Verdichters 36 ist 13 200 kW. Im herkömm lichen Verfahren wäre die Leistung des Synthesegasverdichters 10 500 kW und des Kälteverdichters 3500 kW mit einer Gesamt leistung von 14 000 kW.

Die im Beispiel beschriebene Anordnung der Wärmeaus tauscher ist nicht die einzig mögliche. Das Vorkühlen des Frischgases kann auch mit einem Teil des Kaltgases aus der Leitung 21 erreicht werden. Das Kühlen des Synthesegases im Wärmeaustauscher 42 ist nicht unbedingt erforderlich, aber vorteilhaft, weil dadurch niedrigere Verdampfungstemperaturen erreicht werden können. Mit besserem Vorkühlen des frischen Synthesegases können Verdampfer-Eintrittstemperaturen unter -35°C erreicht werden, besonders falls weniger Überschuß an flüssigem Ammoniak zugegeben wird. Es ist auch möglich, einen Teil des kalten Ammoniaks aus dem Abscheider 43 als Produkt zu entnehmen, oder im Direktkontakt mit dem frischen Synthesegas noch weiter abzukühlen. Im Beispiel war zu den Synthesegas strömen in den Leitungen 3 und 4 ein Überschuß an flüssigem Ammoniak zugegeben, wodurch die Verdampfertemperatur etwas höher wurde, aber die Wärmeübergangszahl erhöht war. Eine gute Verteilung von Flüssigkeit und Gas im Verdampfer 42 ist für das richtige Funktionieren der Anlage wesentlich.

Wärmeaustauscher mit senkrechten Rohren eignen sich dazu am besten, wobei in den Rohren vorzugsweise Hochdruckgas aufwärts fließen soll. Gegenstrom-Wärmeaustausch ist in jedem Falle erforderlich.

Die Leckgase an den Verdichter-Stopfbüchsen werden zurückver dichtet und beispielsweise zum Frischgas zugefügt. Eine andere Möglichkeit ist, zwischen zwei Stopfbüchsen Stickstoff unter den Druck des Frischgases einzuführen, wodurch Wasserstoff- und Ammoniakverluste an der Stopfbüchse ebenfalls gänzlich ver mieden werden können.

Claims

1. Ein Ammoniaksyntheseverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Kühlung des Kreislaufgases nötige Kälte durch Zugabe und Verdampfen von flüssigem Ammoniak in das Synthesegas erzeugt wird, wonach das gebildete Synthesegas-Ammoniakgemisch auf den Synthesekreislauf druck verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das frische Synthesegas vor der Zugabe von flüssigem Ammoniak in einem Wärmeaustauscher mindestens bis unter +15°C abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem frischen Synthesegas vor den Eintritt in den Wärme austauscher eine kleine Menge Ammoniaks oder Ammoniak enthaltenden Gases zugegeben wird um Eisbildung im Wärme austauscher zu verhindern.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zugefügte Ammoniak-enthaltende Gas Stopfbüchsenleckgas oder Flashgas ist.

5. Apparatur zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1.