DE373913C - Verfahren und Vorrichtung zur Ammoniaksynthese bei hoeherer Temperatur und unter hohen Drucken - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Ausführung der direkten Ammoniaksynthese bei hoher Temperatur und sehr hohen mit dem Namen »Hyperdrücken« bezeichneten Drucken in der Größenordnung von 400 bis 2000 Atm. unter Benutzung eines einzigen Kontaktraumes, der eine Rückführung der nicht verbrauchten Gase ohne Anwendung einer Druckpumpe erlaubt, wie sie bei einem bekannten Verfahren, das bei niedrigerem Drucke und mit Ergänzung des verbrauchten Stickstoffes und Wasse-stoffes arbeitet, verwendet wird. Dies ermöglicht der große Dichtigkeitsunterschied, welcher zwischen dem aus Stickstoff und Wasserstoff bestehenden Gasgemisch vor der Reaktion und dem das gebildete Ammoniak enthaltenden Gasgemisch nach der Reaktion besteht. Denn da das gasförmige Stickstoff- und Wasserstoffgemisch bei seiner Umsetzung zu Ammoniak eine Zusam-

ao menziehung erleidet und die Kompressibilität des Ammoniaks gegenüber der seiner Komponenten besonders hoch liegt, so tritt nach erfolgter Synthese eine Steigerung der Dichte ein, welche, bei Benutzung von Hyperdrücken, infolge der Zusammenwirkung der e haltenen sehr hohen Ammoniakkonzentration und des sehr hohen Druckes auße -gewöhnlich weit hinaufgeht.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren verlassen die bei direkter Berührung der Kontaktmasse bereits in Reaktion getretenen Gase den Reaktionsraum, um nach erfolgter Abscheidung des gebildeten Ammoniaks abermals der Kontaktmasse wieder zugeführt zu werden, wobei die hierzu nötige Zirkulation durch den Dichtigkeitsunterschied zwischen den Gasen vor und nach Abscheidung des Ammoniaks bewirkt wird.

Außerdem wird das zuerst eintretende und der Katalyse zu unterwerfende Gasgemisch seiner Gesamtmenge nach und ununterbrochen auf die Reaktionstemperatur erhitzt, und zwar lediglich durch indirekte Berührung der katalytisohen Masse mittels deren bei der Reaktion entwickelten Wärme, während jeder Wärme-Überschuß nach außen abgeleitet wird.

Abb. ι bis 3 der Zeichnung veranschaulichen d^rei verschiedene zur Ausführung des neuen Verfahrens geeignete Vorrichtungen.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 1 ist T₁ ein nahtloses, sehr dickes, aus geeignetem Metall hergestelltes Rohr, z. B. ein Stahlrohr, das an dem auf der Zeichnung nicht dargestellten rechten Ende geschlossen und an dieser Stelle mit einem Roh'stutzen versehen ist. T₂ ist ein dünnes Rohr, welches den Kontaktraum oder gegebenenfalls einen dazwischenliegenden Ringraum umschließt. Die Einwirkung der Temperatur der Gase auf Rohr T₁ wird dadurch gehindert, daß zwischen T₁ und T₂ ein Wärme-Schutzmittel eingeschaltet ist und erforderlichenfalls dortselbst ein kaltes Gas, z. B. Stickstoff, langsam zirkuliert. Die katalytische Masse ist in einem Rohr T₃ enthalten, welches nach

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der dargestellten Ausführung nur auf einem Teil der Gesamtlänge des Außenrohres T₁ sich erstreckt und dort einen als Verschluß des Ringraumes dienenden Ring M trägt. Hierbei ist die Länge des Rohres T₃ so gewählt, daß sie ausreichend ist, um für die durch den Stutzen K zugeführten, ungefähr an der Stelle M einströmenden und in Reaktion zu bringenden Gase als wirksamer Temperaturaustauscher zu ίο dienen.

Jenseits des Endes von T₃ ist das Schutzrohr T₂ vollständig von der Kontaktsubstanz ausgefüllt.

Das linke Ende des Rohres T_x ist mittels eines eingeschraubten Metallstopfens verschlossen, dessen mittlerer Teil stromleitende Klemmen , trägt, an die ein an der Außenseite des Rohres T₃ j angeordneter, nach einer Schraubenlinie ge- _; wundener Heizdraht S angeschlossen ist. '

C ist ein Sammelbehälter, dessen Wandung durch Wasser gekühlt werden kann. Dieser 1 Behälter steht mittels eines senkrechten, durch einen seitlich angebrachten Stopfen K₁ hindurchgeführten Rohres t mit dem Innenraum des Rohres T₂ in Verbindung. Durch das Rohr t erstreckt sich ein Zentralrohr ^₁ von kleinerem j Durchmesser, welches in den Sammelbehälter j hineinragt und den Innenraum desselben mit dem Innern des die Kontaktmasse enthaltenden Rohres T₂ verbindet. Die Außenseite des Rohres t ist an den der Außenluft zugänglichen Stellen mit Wärmeschutzmasse bekleidet, r ist ein Zapfhahn.

An einer etwas weiter gelegenen Stelle des Rohres T₁ ist ein zweiter Sammelbehälter an- j geordnet, der in ähnlicher Weise wie der erste i mit Zapfhahn und ineinandergeschobenen, durch den Stopfen K₂ hindurchgeführten Rohren versehen ist. Noch etwas weiter befindet sich abermais eine Einrichtung dieser Art usf. Die Zahl dieser Einrichtungen und die Länge der Rohre T₁ I und T₂ richtet sich nach den jeweiligen Verhältnissen und wird so bemessen, daß am Ende ; des Rohres T₂ die Umsetzung des Gasgemisches | zu Ammoniak praktisch vollständig ist.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Die in Reaktion zu bringenden Gase strömen \ durch den Stutzen K in den zwischen den \ Rohren T₂ und T₃ befindlichen Ringraum und j von da nach dem dem Vorderende der Rohre vorgeschalteten Raum A, da ja der Ring M das Abströmen nach dem hinteren Ende ver- : hindert. Beim Zurücklegen dieses Weges werden diese Gase bis auf die Reaktionstemperatur erwärmt, und zwar geschieht dies, wenn der ■ Apparat in normalem Betrieb sich befindet, durch die Berührung mit dem Kontaktrohr T₃ oder, wenn die Einleitung der Reaktion noch nicht stattgefunden hat, durch den Heizdraht S. Hierauf strömen die Gase in das Rohr T₃, wo [ sie sich unter dem Einfluß der Kontaktmasse , I nach und nach verbinden. In den das Ende ! des Rohres T₃ verlassenden Gasen befinden sich I bereits nennenswerte Ammoniakmengen. Für den Fortgang der Reaktion ist es daher von j Wert, daß das gebildete Ammoniak ganz oder ι zum Teil abgeführt wird. Diese Ableitung erj folgt mittels der oben beschriebenen Sammelbehälter C. Infolge der niedrigen Temperatur der Wandungen dieser Sammelbehälter strömen die mit Ammoniak beschwerten Gase abwärts durch das Rohr t in diesen Behälter. Das sich darin niederschlagende Ammoniak wird durch den Hahn r abgezapft und die leichter gewordenen Gase kehren durch das Rohr t_x zu- ! rück zum Katalysator. Die ineinandergefügten , Rohre t, t_x spielen die Rolle eines Temperaturj austauschers, wodurch sich erreichen läßt, daß . die durch t_x zurückströmenden Gase eine Temperatur erlangen, die ungefähr auf gleicher Höhe steht wie die der durch t ziehenden Gase. In dieser Weise wird verhütet, daß die Temperatur unterhalb derjenigen sinkt, die zur Durchführung der Reaktion erforderlich ist. Mit Rücksicht auf diesen Wärmeaustauschvorgang erhält auch die Außenseite des Rohres t die bereits erwähnte Wärmeschutzbekleidung.

Durch die Ammoniakabzapfung infolge der Abkühlung im Sammelbehälter wird die mittlere Konzentration des Gasstromes herabgesetzt und dadurch die Reaktion beschleunigt. An etwas weiterer Stelle wild mittels des zweiten an den Stutzen K₂ angeschlossenen Sammelbehälters eine neue Ammoniakabzapfung vorgenommen usf. Diese Abzapfungen nimmt man in dieser Weise an so vielen Stellen vor als nötig ist, um zu erreichen, daß am Ende des Rohres T₂ die Vereinigung der Gase praktisch vollständig ist. Die die Verunreinigungen der anfänglichen Gase enthaltenden restlichen Gase strömen durch den bei der Beschreibung des Apparates erwähnten am rechten Ende des Rohres T₁ angebrachten Rohrstutzen ab.

Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform des Apparates nach Abb. 1, gemäß welcher das bei diesem vorgesehene Rohr T₃ in Wegfall gekommen ist. Diese Ausführungsform findet in den Fällen Anwendung, in denen der durch die innere Wärmeschutzbeldeidung verursachte Temperaturabfall so weit reicht, daß kein Anlaß vorliegt, ihn um den zwischen T₂ und T₃ vorhandenen Temperaturunterschied zu erhöhen.

In Abb. 2 ist T₄ ein Zentralrohr von kleinem Durchmesser, dessen rechts befindliches Ende mit dem in das Verschlußstück B eingeschraubten Stutzen D verbunden ist, durch welchen die in Reaktion zu bringenden Gase einströmen. Auf der linken Seite (der Eintrittsseite in den Katalysator) ist das Rohr T_t auf einer gewissen Länge von dem nach einer Schraubenlinie gewundenen Heizdraht 5 umgeben. Der Apparat nach Abb. 2 ist in ahn-

licher Weise wie der nach Abb. ι mit einer passenden Zahl von Sammelbehältern ausgerüstet. Mit Κ_Ά ist der AnS'-hlußstutzen einet dieser Sammelbehälter bezeichnet. Das Verschlußstück B trägt ferner einen eingeschraubten j Stutzen E, der mit dem Ende des Roh! es T₂ ; in Verbindung steht. j

Die in Reaktion zu bringenden Gase strömen hierbei durch den Stutzen D in das rechte ίο Abgangsende des Rohres T₄ ein und werden durch dieses Rohr an die Anfangsstelle des die Kontaktmasse enthaltenden Ringraumes zwischen Rohr T₂ und T₄ geleitet. Beim Zurücklegen dieses Weges werden sie, wenn der Apparat bereits in normalem Betrieb sich befindet, durch die Reaktionswärme, während der Ingangsetzungsperiode dagegen durch den Heizdraht auf Reaktionstemperatur erhitzt. Die zur Reaktion zu bringenden Gase durchstreichen darauf den Ringraum zwischen T„ und T₄ bei gleichzeitig nacheinander stattfindenden Abzapfungen mittels der Sammelbehälter. Schließlich werden die rückständigen Gase wie beim Apparat nach Abb. 1 abgeleitet. Die Anordnung nach Abb. 2 besitzt den Vorteil, die Raumeinnahme zu verringern.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 steht die Vorrichtung lotrecht. Die Rohre T₁, T₂ und T₃ entsprechen den mit den gleichen Buchstäben bezeichneten Rohren der Abb. 1 und dienen dem gleichen Zweck. Das gleiche gilt bezüglich des Heizdrahtes 5. Bei der Vorrichtung nach Abb. 3 ist jedoch das Rohr T₃ nicht auf einen Teil der Länge des Rohres T₁ beschränkt, sondern der Ringraum zwischen T₂ und T₃ erstreckt sich über die Gesamtlänge von T₁. C ist ein mit Zapfhahn r versehener kaltgehaltener Sammelbehälter. Durch ein in den Innenraum des Sammelbehälters tauchendes Rohr !S₁ steht dieser mit dem unteren Ende des die Kontaktmasse enthaltenden Rohres T₃ in Verbindung. Durch ein anderes Rohr 2 ist eine Verbindung zwischen dem oberen Teil des Sammelbehälters und dem unteren Teil des Ringraumes zwischen T₂ und T₃ hergestellt. Der Stutzen t_s dient zur Einführung der in Reaktion zu bringenden Gase.

Die unten einströmenden Gase bewegen sich zwischen T₂ und T₃ aufwärts, wobei sie sich nach und nach erhitzen, entweder unter dem Einfluß der Reaktionswärme oder des Heizdrahtes S. Ganz oben angelangt, kehren sie ihre Bewegungsrichtung um und treten in das die Kontaktmasse enthaltende Rohr T₃ ein, in welchem sie sich nach und nach verbinden. Am unteren Rohrende angelangt, strömen sie durch I₁ in den kalten Sammelbehälter C, in welchem sich das Ammoniak verflüssigt. Die leichteren restlichen Gase entweichen aus dem Sammelbehälter durch das Rohr t nach dem Ringraum T₂-T₃. Der Umlauf setzt sich dann in der gleichen Weise fort wie zuvor. Das verflüssigte Ammoniak wird durch den Hahn r abgezapft und das frische Ergänzungsgemisch durch i₃ eingeführt. Die Verunreinigungen wenden von Zeit zu Zeit oder ständig entfernt.

Claims (3)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Verfahren der direkten Ammoniaksynthese bei höherer Temperatur und unter hohen Drucken von 400 bis 2000 Atm., dadurch gekennzeichnet, daß das der Katalyse zu unterwerfende, durch indirektes Berühren der in einem einzigen Kontaktraum enthaltenen Kontaktmasse vorgewärmte Gasgemisch zunächst einen Teil dieser Kontaktmasse durchzieht und daß darauf ein Teil der ammoniakhaltigen Gase durch die Wirkung einer in bekannter Weise zum Zwecke der Ammoniakverflüssigung vorgenommenen Abkühlung unter Druck aus dem Kontaktraum abgezogen und der so von Ammoniak befreite Teil unter Wärmeaustausch gegen den ammoniakhaltigen Teil in den anschließenden Teil des Kontaktraumes ein- und zusammen mit dem nicht abgezogenen Teil der Gase weitergeleitet wird, und daß diese Abzapfung und Wiederzurückleitung in immer neue Teile desselben Kontaktraumes so oft vorgenommen wird, bis die Gase praktisch ausgenutzt sind.
2. 2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entziehen der das Ammoniak enthaltenden Gase zwei konzenirische, nach Art eines Wärmeaustauschers wirkende Vertikalrohre (t, I₁) dienen, welche mit ihrem oberen Ende in das die Kontaktmasse enthaltende Rohr (Γ₂), mit ihrem unteren Ende dagegen in den Ammoniakverflüssiger (C) münden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dahin abgeändert, daß die Reaktionsgase die ganze Kontaktmasse von oben nach unten, ihrer sich hierbei mehr und mehr erhöhenden Dichte folgend, durchströmen und nach Abkühlung und Abgabe des hierbei entstehenden flüssigen Ammoniaks entsprechend ihrer nunmehrigen geringeren Dichte wieder längs des Kontaktraumes aufsteigen, wobei sie sich mit frischen zugeleiteten Reaktionsgasen mischen, um alsdann auf demselben Wege wieder zur Reaktion und Ammoniakabscheidung zu gelangen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.