DE4304567C1 - Verfahren zur Dampferzeugung bei der katalytischen heterogenen Synthese und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung bei der katalytischen heterogenen Synthese, insbesondere von Ammoniak, bei welchem in einem Zweifach-Konvertersystem mit wenigstens einem Katalysatorbett in jedem Konverter die Katalysatorbetten nacheinander mit Synthesegas beaufschlagt werden, wobei wenigstens das aus dem letzten Kata­ lysatorbett jedes Konverters austretende Synthesegas au­ ßerhalb des Konverters mit Wasser unter Dampferzeugung ge­ kühlt wird, wobei das Wasser durch indirekten Wärmeaus­ tausch zunächst vom aus dem zweiten Konverter austretenden Synthesegas auf Siedetemperatur erhitzt und teilverdampft und anschließend vom aus dem ersten Konverter austretenden Synthesegas weiterverdampft wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einsträngigen Ammoniak-Syntheseanlagen, die mehr als 1000, vorzugsweise 1350 Tagestonnen Ammoniak erzeugen, kann es zweckmäßig sein, das Zwei-Konvertersystem zu nutzen. Dabei wird die Reaktionswärme in zwei dem jeweiligen Kon­ verter nachgeschalteten Hochdruckdampferzeugern verwertet. Im ersten erfolgt eine reine Verdampfung, im zweiten wird die gesamte Kesselspeisewassermenge auf Siedetemperatur vorgewärmt und ein Teil davon verdampft. Bei Laständerung erfordert die Standregelung Eingriffe, was entsprechend mit Nachteilen verbunden ist.

In der Zeitschrift "Fertilizer Focus", Heft Oktober 1992, Seiten 16 bis 18, wird unter dem Titel "Opinion, BASF Cuts Ammonia Deficit" die bisherige Entwicklung des Energiever­ brauches von Ammoniak-Erzeugungsanlagen, die Erdgas als Einsatz verwendet, erörtert. Am Beispiel einer einsträngi­ gen Ammoniak-Erzeugungsanlage mit einer Kapazität von 1800 Tonnen Ammoniakerzeugung pro Tag wird gezeigt, mit welchen technischen Mitteln der Energieverbrauch einer solchen An­ lage auf die Größenordnung der Werte des theoretischen Energiebedarfs gebracht wird. Dabei wird auch die Gestal­ tung der Wärmerückgewinnung im Syntheseteil der Anlage dar­ gestellt. Die Synthesereaktion geschieht dort dreistufig, d. h. es sind drei Katalysatorbetten synthesegasseitig in Reihe geschaltet. Nach jedem Bett wird die im jeweiligen Bett erzeugte Reaktionswärme mittels eines Wärmeaustau­ schers dem Synthesegas entzogen, damit der noch nicht kon­ vertierte Teil des Synthesegases im anschließenden Bett weiter zu Ammoniak umgesetzt werden kann und somit die Aus­ beute der exothermen Reaktion durch Wärmeabfuhr vergrößert wird.

Im in "Fertilizer Focus" beschriebenen Zwei-Konvertersyste­ men sind die beiden ersten Betten in einem ersten Konverter angeordnet und das dritte Bett in einem zweiten Konverter. Zwischen den Betten des ersten Konverters ist als Konver­ tereinbau ein Gas-/Gas-Wärmeaustauscher vorgesehen, der das in den Konverter eintretende Synthesegas, bevor es das er­ ste Bett beaufschlagt, regenerativ auf Reaktionstemperatur bringt. Dies geschieht durch Wärmeaustausch mit dem rea­ gierten heißen Synthesegas, das das erste Bett verläßt. Dem ersten und dem zweiten Konverter sind synthesegasaustritts­ seitig je ein Hochdruckdampferzeuger nachgeschaltet, in de­ nen die Reaktionswärme zur Erzeugung von Hochdruckdampf ge­ nutzt wird.

In einer Druckschrift der Anmelderin ". . . engineering news 2-91, AMMONIA, Energy integration in ammonia plants" ist die zugehörige kesselspeiswasserseitige bzw. dampfseitige Verschaltung der Hochdruckdampferzeuger auf der Seite 7 in der dortigen Fig. 7 "synthesis loop" dargestellt. Dabei wird Kesselspeisewasser dem zweiten Hochdruckdampferzeuger zugeführt, in welchem sich das Kesselspeisewasser zunächst auf Siedetemperatur erwärmt und anschließend eine Teilmenge des erzeugten siedenden Wassers verdampft wird. Die erzeug­ te Hochdruckdampfteilmenge wird einem Hochdruckdampfsammler zugeführt. Der nicht verdampfte Rest des siedendes Wassers gelangt über eine Siedewasserrohrleitung in den ersten Hochdruckdampferzeuger, wo er vollständig verdampft wird. Die im ersten Hochdruckdampferzeuger erzeugte restliche Hochdruckdampfmenge wird ebenfalls dem Hochdrucksammler zu­ geführt, womit das gesamte Kesselspeisewasser in Hochdruck­ dampf umgewandelt ist.

Die beiden Hochdruckdampferzeuger sind über ihre Verbin­ dungsleitungen kommunizierend verbunden, wobei die kommuni­ zierenden Wassersäulen allerdings aus Wasser bestehen, wel­ ches sich auf Siedetemperatur befindet. Ein solches kommu­ nizierendes System mit siedender Flüssigkeit ist hinsicht­ lich des statischen Druckes in jeder Wassersäule instabil wegen der bei Druckänderungen eintretenden Nachverdampfung, wodurch die mittlere Dichte der Wassersäule durch die Dampfblasenbildung im gleichen Sinne herabgesetzt wird, so daß kleinste Auslenkungen aus der Gleichgewichtslage zu starken, sich selbst verstärkenden Wasserstandsänderungen führen. Die Standregelung des vorbeschriebenen Systems, die auf der lastabhängigen Drosselung der Einspeisung beruht, wird von den schnell wechselnden Standsignalen überrannt. Dazu kommt, daß die Einspeisungsänderungen selbst auch in den Wärmeübergang, d. h. in die produzierte Dampfmenge, ein­ greifen, was die Zustandsänderungen der Wassersäulendichte noch unübersichtlicher macht. Die Erfahrungen haben ge­ zeigt, daß trotz regelungstechnischer Optimierung der Reg­ lerparameter die Standregelung bei schneller Laständerung manueller Eingriffe bedarf, um das Überreißen von siedendem Wasser in den Hochdruckdampfsammler oder ein zu weitgehen­ des Absinken des Wasserstandes zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Lösung zu schaf­ fen, mit der ohne aufwendige Regelung und ohne das Erfor­ dernis manueller Regelungseingriffe eine einwandfreie Dampferzeugung und Abführung mit möglichst einfachen kon­ struktiven Mitteln ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs be­ zeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Was­ ser in einen einzigen Wärmeaustauscher geführt wird, in welchem das Synthesegas aus dem ersten und dem zweiten Kon­ verter durch zwei voneinander getrennte Wärmeaustauschele­ mente geleitet wird, wobei das Wasser zunächst in einer Vorkammer des Wärmeaustauschers vom Synthesegas aus dem zweiten Konverter erhitzt und anschließend in einem Ver­ dampfungsraum vom Synthesegas aus dem zweiten und dem er­ sten Konverter verdampft wird.

Durch diese Verfahrensführung entfallen auf überraschend einfache Weise sämtliche Probleme, die bei einem kommuni­ zierenden System mit siedender Flüssigkeit entstehen kön­ nen. Das Kesselspeisewasser wird nach der Vorerhitzung durch den zweiten Synthesegasstrom in der Vorkammer des Wärmeaustauschers in den eigentlichen Verdampfungsraum des Wärmeaustauschers geleitet, der von entsprechenden Wärme­ austauschelementen für die beiden Synthesegasströme durch­ setzt ist. Der gesamte Wärmeaustausch und die dadurch be­ dingte Verdampfung des siedenden Wassers findet somit in nur einem geschlossenen Raum statt, das noch nicht ver­ dampfte Wasser bleibt im Wärmeaustauscher, während der Dampf entsprechend abgeführt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Was­ ser in der Vorkammer des Wärmeaustauschers im Gegenstrom zum Synthesegas aus dem zweiten Konverter geführt wird. Da­ bei strömt das Wasser bevorzugt in der Vorkammer von unten nach oben, während das Synthesegas zunächst durch den Ver­ dampfungsraum geleitet und anschließend von oben nach unten durch die Vorkammer in entsprechenden Rohren geführt wird.

Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe sieht die Erfin­ dung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vor, die durch einen Wärmeaustauscher mit einem Verdamp­ fungsraum für siedendes Wasser gekennzeichnet ist, in wel­ chem zwei voneinander getrennte Wärmeaustauschelemente für das aus dem ersten bzw. zweiten Konverter austretende Syn­ thesegas vorgesehen sind, wobei der Wärmeaustauscher eine Vorkammer zum Erhitzen des Wassers aufweist, in welcher die Wärmeaustauscherelemente für das Synthesegas aus dem zwei­ ten Konverter ebenfalls angeordnet sind.

Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, mit nur einem entsprechend ausgebildeten Wärmeaustauscher die ge­ wünschte Temperatursteuerung des Synthesegases bzw. die Dampferzeugung durchzuführen, ohne daß dazu wie bei be­ kannten Anlagen mit zwei Hochdruckdampferzeugern aufwendige Regelungsvorgänge erforderlich sind.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Eintritt des Wassers in die Vorkammer im Bereich des Austritts der zwei­ ten Wärmeaustauscherelemente angeordnet ist. Das eintreten­ de Kesselspeisewasser wird dann zunächst im Gegenstrom in­ direkt durch den aus dem zweiten Konverter stammenden zwei­ ten Synthesegasstrom auf Siedetemperatur erhitzt.

Dabei ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Er­ findung vorgesehen, daß die Vorkammer an ihrem wasserseiti­ gen Austrittsende zum Verdampfungsraum offen ist. Das in der Vorkammer auf Siedetemperatur erhitzte Kesselspeisewas­ ser wird dann zwangsweise vollständig aus der Vorkammer in den siedewasserführenden Teil des Wärmeaustauschers, d. h. den Verdampfungsraum eingeleitet, in welchem dann die voll­ ständige Verdampfung durch indirekten Wärmeaustausch mit den beiden Synthesegasströmen erfolgt.

Konstruktiv besonders vorteilhaft ist dabei vorgesehen, daß die Vorkammer als Ringraum ausgebildet ist, welche wenig­ stens den unteren Bereich des rohrförmigen Verdampfungsrau­ mes umgibt.

Zur Erreichung besonders kompakt angeordneter Wärmeübertra­ gungsflächen und einer optimalen Strömungsführung sowohl der Synthesegasströme als auch des siedenden bzw. verdamp­ fenden Wassers ist vorgesehen, daß die beiden Wärmeaus­ tauschelemente jeweils von umgekehrt U-förmigen, rohrför­ migen Heizflächenelementen gebildet sind. Derartige umge­ kehrt U-förmige Heizflächenelemente werden auch als soge­ nannte Nadeln bezeichnet.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die rohrförmigen Heiz­ flächenelemente für das Synthesegas aus dem zweiten Konver­ ter im äußeren Bereich des Verdampfungsraumes angeordnet sind, wobei die inneren U-Schenkel innerhalb des Verdamp­ fungsraumes und die äußeren U-Schenkel innerhalb der ring­ förmigen Vorkammer angeordnet sind.

Dabei ist dann vorteilhaft vorgesehen, daß die ersten rohr­ förmigen Heizflächenelemente jeweils symmetrisch zu einem Durchmesser des rohrförmigen Verdampfungsraumes angeordnet sind. Diese spiegelbildsymmetrische Anordnung der Nadeln bzw. Heizflächenelemente ermöglicht eine freie Gestaltbar­ keit der Stutzenstellungen für die Synthesegasanschluß­ stutzen, da das innere Rohrbündel mit seiner Spiegelachse relativ zur äußeren Berohrung und unabhängig von ihr um die Apparateachse gedreht werden kann. Dadurch kann die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung in vielen Aufstellungsvarianten genutzt werden.

Von ganz besonderem Vorteil ist es, wenn zwischen der ring­ förmigen Vorkammer und dem Verdampfungsraum ein weiterer Ringraum vorgesehen ist, der zum Rohrboden des Wärmeaustau­ schers hin und zum oberen Bereich des Verdampfungsraumes hin offen ist. Es wird dadurch ein konzentrisch um die Ap­ parateachse angeordneter kreiszylinderförmiger Kanal ge­ schaffen, in welchem der aus der Vorkammer austretende, auf Siedetemperatur gebrachte Kesselspeisewasserstrom nach un­ ten in den Bereich der wasserseitigen Oberfläche der Rohr­ platte des Verdampfungsraumes gebracht wird. Von dort strömt der Wasserstrom radial in den Verdampfungsteil der Berohrung ein. Infolge der dort an den Wärmeaustauschflä­ chen einsetzenden Dampfblasenbildung strömt er innerhalb des Verdampfungsteils der Berohrung nach oben, wo die Dampfblasen aus der Siedewasseroberfläche austreten und der nicht verdampfte Teil des Siedewassers nach unten re­ zirkuliert.

Um den nach unten gerichteten Rezirkulierungsströmungen im Siedewasser einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegenzusetzen, ist erfindungsgemäß ganz besonders vor­ teilhaft vorgesehen, daß zwischen den rohrförmigen Heizflä­ chenelementen der ersten und zweiten Wärmeaustauscherele­ mente ein ringförmiger Freiraum im Verdampfungsraum vorge­ sehen ist. Dadurch entsteht in der Berohrung eine um die Apparatelängsachse konzentrisch angeordnete Gasse mit Kreisringquerschnitt. Überraschenderweise hat sich heraus­ gestellt, daß sich in dieser vertikalen Gasse eine zusätz­ liche, in einer gedachten Höhenschichtebene gesehen, lokale Rezirkulationsströmung einstellt, die durch die globale Re­ zirkulation überlagert ist. Dadurch steht in jeder gedach­ ten Höhenschicht ausreichend Wasser für eine kräftige Dampfbildung zur Verfügung. Überraschenderweise wird durch diese Ausgestaltung eine vergleichsweise höhere Wärmestrom­ dichte in der Heizfläche erzielt als in einem üblichen Ab­ hitzekessel, der ohne eine solche Gasse ausgebildet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 ein Verfahrensfließbild einer Ammoniak-Syntheseanla­ ge mit einer erfindungsgemäßen Dampferzeugung,

Fig. 2 in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 3 eine vorteilhafte spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in Fig. 3, wobei nur ein Viertelsegment des im übrigen symmetrisch berohrten Wärmeaustauscherquer­ schnittes gezeigt ist,

Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Linie H-H in Fig. 6 und ebenfalls der Linie G-G in Fig. 7,

Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie D-D in Fig. 5 und

Fig. 7 einen Schnitt gemäß der Linie E-E in Fig. 5.

Eine Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Ver­ fahrens zur Dampferzeugung bei der katalytischen heteroge­ nen Synthese, insbesondere von Ammoniak, ist in Fig. 1 dargestellt, wobei der Vollständigkeit halber auch die für die Erfindung unwesentlichen Anlageteile gezeigt sind.

Das Verfahren wird in einem Zweifach-Konvertersystem durch­ geführt, welches aus einem ersten Konverter 1 und einem nachgeschalteten zweiten Konverter 2 besteht. Im ersten Konverter 1 sind zwei in Reihe angeordnete Katalysatorbet­ ten vorgesehen, nämlich ein erstes Katalysatorbett 11 und ein zweites Katalysatorbett 12, zwischen diesen beiden Ka­ talysatorbetten 11, 12 ist ein Wärmeaustauscher 21 angeord­ net, der zur Einhaltung der Reaktionstemperatur im zweiten Katalysatorbett 12 und gleichzeitig zur Aufheizung des in den ersten Katalysator 1 eingeleiteten Frischgases dient. Der zweite Konverter 2 weist demgegenüber nur ein Katalysa­ torbett 13 auf.

Das aus dem jeweils letzten Katalysatorbett (12 bzw. 13) der beiden Konverter 1, 2 austretende Synthesegas wird je­ weils außerhalb des Konverters mit Wasser unter Dampfer­ zeugung gekühlt, wobei das Wasser durch indirekten Wärme­ austausch zunächst vom aus dem zweiten Konverter 2 austre­ tenden Synthesegas auf Siedetemperatur erhitzt und teilver­ dampft und anschließend von aus dem ersten Konverter 1 aus­ tretenden Synthesegas weiter verdampft wird.

Dazu wird erfindungsgemäß Wasser durch eine Kesselspeise­ wasserleitung 31 in einen einzigen Wärmeaustauscher 100 ge­ führt, in welchem das Synthesegas aus dem ersten und zwei­ ten Konverter 1, 2 durch zwei voneinander getrennte Wärme­ austauscherelemente 124, 125 (Fig. 2) geleitet wird, wobei das Wasser zunächst in einer Vorkammer 101 des Wärmeaus­ tauschers 100 vom Synthesegas aus dem zweiten Konverter 2 erhitzt und anschließend in einem gemeinsamen Verdampfungs­ raum 102 vom Synthesegas aus dem zweiten und dem ersten Konverter 2, 1 verdampft wird. Das vollständig verdampfte Wasser tritt aus dem Verdampfungsraum 102 in einen Dampf­ raum 103 des Wärmeaustauschers 100 und über einen Dampf­ austrittsstutzen 142 in eine Sattdampfrohrleitung 34, über welche es abgeführt wird.

Dabei ist die Verschaltung im Wärmeaustauscher 100 bevor­ zugt so getroffen, daß das Wasser in der Vorkammer 101 des Wärmeaustauschers 100 im Gegenstrom zum Synthesegas aus dem zweiten Konverter 2 geführt wird, wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht.

Ein bevorzugtes Verfahrensbeispiel ist durch folgende Ver­ fahrensparameter gekennzeichnet:

Die eingesetzte Frischgasmenge beträgt 71.630 kg/h. Das Frischgas hat folgende Zusammensetzung in Vol.%:

CH₄ = 1,26%; Ar + He = 0,39%; H₂ = 73,43%; N₂ = 24,92%.

Auf das erste Bett im Konverter 1 wird 311.630 kg/h Kreis­ gas gegeben, seine Zusammensetzung in Vol.% beträgt:

CH₄ = 8,27%; Ar + He = 2,82%; H₂ = 61,16%; N₂ = 23,52%; NH₃ = 4,23%.

Am Austritt des Konverters 1 hat das Kreisgas folgende Zu­ sammensetzung in Vol.%:

CH₄ = 9,24%; Ar + HE = 3,24%; H₂ = 50,73%, N₂ = 20,42%; NH₃ = 16,45%.

Die Temperatur des Kreisgases beträgt 467°C.

Den Konverter 2 verläßt das Kreisgas mit folgender Zusam­ mensetzung in Vol.%:

CH₄ = 9,4%; Ar + He = 3,24%; H₂ = 47,93%; N₂ = 19,59%; NH₃ = 19,74%.

Die Temperatur des Kreisgases am Austritt des Konverters 2 beträgt 443°C.

Das den Konverter 1 mit 467°C verlassende Kreisgas gibt in den ersten Wärmeaustauscherelementen 124 eine Wärmemenge von 16.590 kW ab und wird dadurch auf 390°C abgekühlt.

Das den Konverter 2 mit 443°C verlassende Kreisgas gibt in den zweiten Wärmeaustauscherelementen 125 eine Wärmemenge von 26.700 kW ab und wird dadurch auf 336° abgekühlt.

Diese beiden Wärmemengen zusammengenommen erhitzen und ver­ dampfen 81.950 kg/h Kesselspeisewasser, das zu diesem Zweck mit 180°C in den Wärmeaustauscher 100 eingespeist und dar­ in bei 329°C verdampft wird.

Aus der eingesetzten Frischgasmenge entstehen 70.400 kg NH₃/h. Der nicht in NH₃ umgewandelte Rest des eingesetzten Frischgases wird als Abgas ausgeschleust.

Der im Wärmeaustauscher 100 gebildete Sattdampf wird bevor­ zugt an frischgasseitig vorgeschaltete Prozeßeinheiten ab­ gegeben.

In den Fig. 3 bis 7 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Diese Vorrichtung besteht aus dem Wärmeaustauscher 100, der im wesentlichen in die Vorkammer 101 und den Verdampfungs­ raum 102 unterteilt ist.

Der Wärmeaustauscher 100 weist einen nach oben geschlosse­ nen domförmigen Mantel 120 auf, der nach unten von einer Rohrplatte 121 verschlossen ist, wobei zur Abdichtung des Innenraumes eine Wasserraumdichtung 144 zwischen einem End­ flansch des Mantels 120 und der Rohrplatte 121 angeordnet ist.

An die Rohrplatte 121 schließt sich unterhalb derselben ein rohrförmiger Vorraum-Mantel 122 an, der nach unten mit ei­ nem eingesetzten Vorraum-Deckel 123 verschlossen und mit einer Vorraum-Dichtung 145 abgedichtet ist, die ihrerseits mit einem Segmentverschlußring 146 am Vorraum-Mantel 122 gehalten ist.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wär­ meaustauschers 100 ist, daß dieser innerhalb des Mantels 120 einen Verdampfungsraum 102 aufweist, in welchem zwei voneinander getrennte Wärmeaustauscherelemente 124, 125 für das aus dem ersten bzw. zweiten Konverter 1, 2 austretende Synthesegas vorgesehen sind. Dabei weist der Wärmeaus­ tauscher 100 innerhalb des Mantels 120 eine Vorkammer 101 zum Erhitzen des Wassers auf, wobei in der Vorkammer 101 die zweiten Wärmeaustauscherelemente 125 für das Synthese­ gas aus dem zweiten Konverter 2 ebenfalls angeordnet sind.

Dabei ist der Eintritt des Wassers (Kesselspeisewasser­ stutzen 141) in die Vorkammer 101 im Bereich des Austritts (Austrittsstutzen 140) der zweiten Wärmeaustauscherelemente 125 angeordnet, wodurch die vorbeschriebene Gegenstromfüh­ rung realisiert wird.

Die Vorkammer 101 ist innerhalb des Mantels 120 als Ring­ raum ausgebildet, welche wenigstens den unteren Bereich des rohrförmigen Verdampfungsraumes 102 umgibt. Dabei ist die Vorkammer 101 an ihrem wasserseitigen Austrittsende zum Verdampfungsraum 102 offen.

Die beiden Wärmeaustauscherelemente 124, 125 sind jeweils von umgekehrt U-förmigen, rohrförmigen Heizflächenelementen 126 (U-Rohrnadeln) gebildet. Diese sind für das Synthesegas aus dem zweiten Konverter 2 im äußeren Bereich des Ver­ dampfungsraumes 102 angeordnet, wobei die inneren U-Schen­ kel innerhalb des Verdampfungsraumes 102 und die äußeren U-Schenkel innerhalb der ringförmigen Vorkammer 101 angeord­ net sind. Die ersten rohrförmigen Heizflächenelemente 124 sind jeweils symmetrisch zu einem Durchmesser des rohrför­ migen Verdampfungsraumes 102 angeordnet, wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht.

Die Anordnung der Heizflächenelemente ist dabei bevorzugt so getroffen, daß zwischen den rohrförmigen Heizflächenele­ menten der ersten und zweiten Wärmeaustauscherelemente 124,125 ein ringförmiger, gassenförmiger Freiraum 105 im Verdampfungsraum 102 vorgesehen ist.

Wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht, ist zwischen der ring­ förmigen Vorkammer 101 und dem Verdampfungsraum 102 ein weiterer Ringraum 110 vorgesehen, der als Fallkanal dient. Dieser Ringraum 110 ist zur Rohrplatte 121 hin und zum obe­ ren Bereich des Verdampfungsraumes 102 hin offen.

Der Verdampfungsraum 102 geht nach oben hin innerhalb des Mantels 120 in einen Dampfraum 103 über, wobei der Über­ gangsbereich durch einen rohrförmigen Einsatz begrenzt ist, welcher als Rücklaufschott 130 ausgebildet ist und mit dem Mantel 120 einen Rücklaufsammelraum 104 für im Dampfraum 103 abgeschiedenes Wasser bildet. Am oberen Ende des Dampf­ raumes 103 ist ein Dampfaustrittsstutzen 142 vorgesehen, darüber hinaus ist durch den Dampfraum 103 in den unteren Bereich des Verdampfungsraumes 102 geführt ein Ab­ schlämmstutzen 143 vorgesehen.

Das Synthesegas aus dem zweiten Konverter 2 wird durch ei­ nen Eintrittsstutzen 139 durch den Vorraum-Mantel 122 ge­ führt und über einen Ringverteiler 107 der Rohrplatte 121 zugeführt. Dieser Ringverteiler 107 weist einen Ringver­ teilerinnenmantel 132, einen Ringverteileraußenmantel 133 und einen Ringverteilerdeckel 134 auf und ist nach oben durch einen Kaltgasschott 131 gegenüber einem Kaltgasleit­ raum 109 geschlossen. In diesen Ringverteiler 107 münden die Eintritts-U-Rohr-Nadeln 126 der zweiten Wärmeaus­ tauscherelemente 125 (Sekundärbündel) für das Synthesegas aus dem zweiten Konverter 2. Das Synthesegas wird ent­ sprechend durch diese U-Rohrnadeln geführt. Die U-Rohrna­ deln 126 sind nach Durchführung durch die Vorkammer 101 durch die Rohrplatte 121 hindurchgeführt und münden in den Kaltgasleitraum 109. Von diesen Mündungen aus wird das Syn­ thesegas durch den Kaltgasleitraum 109 geführt und tritt dann in einen Synthesegasvorraum 106 innerhalb des Vorraum- Mantels 122 ein. Im Vorraum-Mantel 122 ist ein Austritts­ stutzen 140 vorgesehen, aus welchem das abgekühlte Synthe­ segas aus dem zweiten Konverter 2 austritt.

Das Synthesegas aus dem ersten Konverter 1 tritt durch ei­ nen Eintrittsstutzen 137 (Fig. 6 bzw. Fig. 7) und eine Lei­ tung in einen Halbkreissammler 108 ein, der sich unterhalb der Rohrplatte 121 befindet. Dieser Halbkreissammler 108 weist einen Halbkreissammlermantel 135 und einen Halb­ kreissammlerdeckel 136 auf und ist nach oben hin durch den Kaltgasschott 131 geschlossen. In diesen Halbkreissammler 108 münden die Eintritts-U-Rohr-Nadeln 126 der ersten Wär­ meaustauscherelemente 124 (Primärbündel).

Die Austrittsenden, d. h. die entsprechenden Nadelenden der ersten Wärmeaustauscherelemente 124, sind durch die Rohr­ platte 121 geführt und münden in einen entsprechend ausge­ bildeten Halbkreissammler 108 (Fig. 6), der über eine Lei­ tung in einen Austrittsstutzen 138 mündet, welcher im Vor­ raum-Mantel 122 vorgesehen ist.

Die Kesselspeisewasserzuleitung erfolgt durch einen Kessel­ speisewasserstutzen 141, der im Mantel 120 des Wärmeaus­ tauschers 100 vorgesehen ist und direkt in die ringförmige Vorkammer 101 führt. Die Vorkammer 101, die von den Aus­ trittsnadeln der zweiten Wärmeaustauscherelemente 125 durchsetzt ist, ist nach innen durch einen Vorkammerschott 127 begrenzt, ferner sind übereinander in der Vorkammer 101 Umlenkbleche 129 zur gezielten Wasserführung angeordnet.

Der zusätzliche Ringraum 110 zwischen der Vorkammer 101 und dem Verdampfungsraum 102 ist begrenzt von dem rohrförmigen Vorkammerschott 127 und einem Fallkanalschott 128, der un­ ten gegenüber der Rohrplatte 121 offen ist.

Das durch den Stutzen 141 eintretende Kesselspeisewasser wird zunächst in der Vorkammer 101 durch das Synthesegas aus dem zweiten Konverter 2 im Gegenstrom auf Siedetempera­ tur erhitzt und tritt dann durch Überlauf über den Vorkam­ merschott 127 in den Verdampfungsraum 102 ein, wo die ei­ gentliche vollständige Verdampfung durch indirekten Wärme­ austausch mit den beiden Synthesegasströmen erfolgt. Ein Teil des aus der Vorkammer 101 austretenden vorerhitzten Wassers fließt zusammen mit internem Umlaufwasser in dem Ringraum 110 nach unten, wo es in den Bereich der wasser­ seitigen Oberfläche der Rohrplatte 121 gebracht wird. Von dort strömt der Wasserstrom radial in den Verdampfungsteil der Berohrung ein. Infolge der dort an den Wärmeaustausch­ flächen einsetzenden Dampfblasenbildung strömt er innerhalb des Verdampfungsteils der Berohrung nach oben, wo die Dampfblasen aus der Siedewasseroberfläche austreten und der nicht verdampfte Teil des Siedewassers nach unten re­ zirkuliert. Das völlig verdampfte Wasser tritt dann in den Dampfraum 103 ein und wird aus diesem durch den Stutzen 142 abgeführt.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind möglich, ohne den Grundgedanken zu ver­ lassen. So läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren selbst­ verständlich auch mit einer anders ausgebildeten Vorrich­ tung durchführen, die eine Vorkammer und zwei getrennte Wärmeaustauscherbündel aufweist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Dampferzeugung bei der katalytischen hetero­ genen Synthese, insbesondere von Ammoniak, bei welchem in einem Zweifach-Konvertersystem mit wenigstens einem Kata­ lysatorbett in jedem Konverter die Katalysatorbetten nach­ einander mit Synthesegas beaufschlagt werden, wobei wenig­ stens das aus dem letzten Katalysatorbett jedes Konverters austretende Synthesegas außerhalb des Konverters mit Wasser unter Dampferzeugung gekühlt wird, wobei das Wasser durch indirekten Wärmeaustausch zunächst vom aus dem zweiten Konverter austretenden Synthesegas auf Siedetemperatur erhitzt und teilverdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in einen einzigen Wärmeaustauscher (100) ge­ führt wird, in welchem das Synthesegas aus dem ersten und dem zweiten Konverter (1, 2) durch zwei voneinander getrenn­ te Wärmeaustauscherelemente (124, 125) geleitet wird, wobei das Wasser zunächst in einer Vorkammer (101) des Wärmeaus­ tauschers (100) vom Synthesegas aus dem zweiten Konverter (2) erhitzt und anschließend in einem gemeinsamen Verdampfungsraum (102) vom Synthesegas aus dem zweiten und dem ersten Konverter (2, 1) verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser in der Vorkammer (101) des Wärmeaustauschers (100) im Gegenstrom zum Synthesegas aus dem zweiten Konver­ ter (2) geführt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher (100) mit einem Verdampfungsraum (102) für siedendes Wasser, in welchem zwei voneinander ge­ trennte Wärmeaustauscherelemente (124, 125) für das aus dem ersten bzw. zweiten Konverter (1, 2) austretende Synthesegas vorgesehen sind, wobei der Wärmeaustauscher (100) eine Vor­ kammer (101) zum Erhitzen des Wassers aufweist, in welcher die Wärmeaustauscherelemente (125) für das Synthesegas aus dem zweiten Konverter (2) ebenfalls angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (141) des Wassers in die Vorkammer (101) im Bereich des Austritts (140) der zweiten Wärmeaustau­ scherelemente (125) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (101) an ihrem wasserseitigen Austritts­ ende zum Verdampfungsraum (102) offen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (101) als Ringraum ausgebildet ist, wel­ che wenigstens den unteren Bereich des rohrförmigen Ver­ dampfungsraumes (102) umgibt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmeaustauscherelemente (124, 125) jeweils von umgekehrt U-förmigen, rohrförmigen Heizflächenelementen (126) gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten rohrförmigen Heizflächenelemente (126) für das Synthesegas aus dem zweiten Konverter (2) im äußeren Bereich des Verdampfungsraumes (102) angeordnet sind, wobei die inneren U-Schenkel innerhalb des Verdampfungsraumes (102) und die äußeren U-Schenkel innerhalb der ringförmigen Vorkammer (101) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten rohrförmigen Heizflächenelemente (124) je­ weils symmetrisch zu einem Durchmesser des rohrförmigen Verdampfungsraumes (102) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ringförmigen Vorkammer (101) und dem Ver­ dampfungsraum (102) ein weiterer Ringraum (110) vorgesehen ist, der zum Rohrboden (121) des Wärmeaustauschers (100) hin und zum oberen Bereich des Verdampfungsraumes (102) hin offen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den rohrförmigen Heizflächenelementen der er­ sten und zweiten Wärmeaustauscherelemente (124, 125) ein ringförmiger Freiraum (105) im Verdampfungsraum (102) vor­ gesehen ist.