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Verfahren und Anlage zur Behandlung von Kohlenoxyd enthaltendem Gas.
Die Erfindung betrifft die Behandlung von Kohlenoxyd enthaltendem Gas, insbesondere
von Gas, das bei der Herstellung einer Stickstoff-Wasserstoff-Mischung, wie sie
für die synthetische Ammoniakerzeugung geeignet ist, verwendet wird. Diese Behandlung
erstreckt sich im wesentlichen darauf, aus einem Wasserstoff, Kohlenoxyd und Stickstoff
enthaltenden Gemisch, in welchem Wasserstoff und Kohlenoxyd etwa die dreifache Raummenge
des Stickstoffes ausmachen, ein Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch
im
Verhältnis von .etwa z : 3 zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird das Gasgemisch in Anwesenheit
von Dampf der Einwirkung eines Katalysators unterworfen, wobei sich das Kohlenoxyd
zu Kohlendioxyd umwandelt und eine im wesentlichen gleiche Menge Wasserstoff frei
wird (CO und H20 - C02 und H2) . Das der Einwirkung des Katalysators unterworfene
Gas enthält sodann drei Raumteile -Wasserstoff auf einen Raumteil Stickstoff. Das
auf diese Weise gewonnene Gasgemisch wird, nachdem es vorher einer Reihe weiterer
vorbereitender Verfahren unterworfen ist, für die Erzeugung von Ammoniak verwendet.
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Bei diesem katalytischen Verfahren wird das Kohlenoxyd enthaltende
Gas vor dem Einführen in den Konverter zur Bildung eines Gasdampfgemisches mit Wasser
in Berührung gebracht. Diese Bildung des Gasdampfgemisches erfolgt bisher in der
Weise, daß zunächst das kalte Wasser in einem besonderen Einspritzkühler mit den
noch heißen, bereits aus dem Konverter austretenden Gasen in unmittelbare Berührung
gebracht wird. Das auf diese Weise erzeugte heiße Wasser wird darauf in einer zweiten
Vorrichtung, im sogenannten Verdunster, zum Zwecke der Dampfbildung mit dem frischen,
noch nicht behandelten Gas vor dessen Einführung in den Konverter zusammengebracht.
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Dieses Verfahren zur Verdampfung des Wassers und Anreicherung der
frischen Gase mit Wasserdampf bedingt die Verwendung besonderer Einrichtungen, die
außer den Wärmeaustauschvorrichtungen der Konverteranlage erforderlich sind und
in Form von Türmen errichtet werden, die sehr viel Raum beanspruchen. Diese Türme
und die sie miteinander verbindenden Rohrleitungen erfordern eine sorgfältige Isolierung
gegen Wärmeverluste.
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Gemäß der Erfindung wird das an sich bekannte Verfahren derart durchgeführt,
daß sowohl das zur Dampfbildung benötigte Wasser als auch die mit diesem Wasser
in Berührung gebrachten Frischgase durch Wärmeaustauscher hindurchtreten, die dazu
dienen, die dem Konverter zugeführten Frischgase durch die aus ihm abgeleiteten
Gase zu beheizen. Auf diese Weise sind die Nachteile der bisher verwendeten Anlagen
vermieden; denn sowohl zur Verdampfung des Wassers als auch zur Anreicherung der
Frischgase mit dem Wasserdampf findet ein Wärmeaustauscher Verwendung, der in an
sich bekannter Weise zur Erhitzung der Frischgase durch die unter der Einwirkung
des Katalysators umgewandelten Gase dient. Es bedarf mithin keiner besonderen, in
der Konverteranlage nicht schon vorhandenen Einrichtungen und keiner Maßnahme zur
Isolierung von Wärmeverlusten stark ausgesetzten Vorrichtungen und Rohrleitungen.
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Da außer dem zur Bildung des Dampfes benötigten Wasser auch gleichzeitig
die Frischgase der Beheizung durch die abgeleiteten Gase unterworfen werden, können
die Gase größere Mengen Wasserdampf rascher absorbieren als bisher. Die verwendeten
Vorrichtungen brauchen daher auch nicht größer ausgeführt zu werden, als es für
den Austausch der Wärme zwischen den zu- und abgeleiteten Gasen erforderlich ist.
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Auf der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung in einer Ausführungsform veranschaulicht.
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Das zu behandelnde Gas wird der Gasquelle mittels Rohrs z entnommen.
Im allgemeinen wird dieses Gas aus einer Gasanstalt oder aus Gasbehältern kommen.
Gebläse 2 drücken (las Gas durch Rohr 4811 oben in den Erhitzer 47, durch diesen
hindurch und aus dessen anderem Ende hinaus durch Rohre 49, 51 in den Wärmeaustauscher
47a hinein und durch ihn hindurch, darauf durch Rohr 49a in einen Wärmeaustauscher
47b hinein und durch diesen hindurch, und endlich durch Rohr 52 in Kontaktapparate
39, die den Katalysator enthalten. Das Gas wird in die Konverter eingeführt, durch
den Katalysator hindurchgeleitet und mittels Rohrs 43 bei einer Temperatur von etwa
56o° C in die Wärmeaustauscher 47b gebracht, die es entgegen den aus Rohr t kommenden
Gasen durchzieht. Aus dem Austauscher 47b gehen die aus den Kontaktapparaten gekommenen
heißen Gase durch Rahr44 in den Wärmeaustauscher47a den sie durch ein zum Erhitzer
47 führendes Rohr 45 verlassen. Die Wärmeaustauscher 4711, 47b können in beliebiger
Anzahl angeordnet werden.
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Die aus den Kontaktapparaten kommenden Gase haben beim Eintritt in
den Erhitzer 47 ihre Höchstwärme an die in entgegengesetzter Richtung fließenden
Gase abgegeben. Die ihnen noch innewohnende, an sich zwar beträchtliche, aber verhältnismäßig
doch geringe Wärme wärmt das ankommende Gas nur schwach vor. Die einfache Erhöhung
der Anzahl der Wärmeaustauscher steigert diese Wirkung nicht. Um nun diese restliche
Wärmemenge der Gase auszunutzen, werden diese - Gase in den Erhitzer 47 eingeführt,
worin sie Wasser.indas ankommende Gas hinein verdampfen und annähernd eine Temperatur
von etwa 95° in dem jetzt gebildeten Gaswasserdampfgemisch, das den Erhitzer 47
verläßt und in den Austauscher 4711 übergeht, hervorrufen und aufrechterhalten.
Die Gase verlassen endlich den Erhitzer 47 durch Rohr
46 und werden
zu einer Kondensatoranlage 4 geführt, von der sie durch Rohr 5a mit einer Temperatur
von etwa :25' C in einen Gasbehälter 5 und schließlich zu dem Verdichter der Ammoniakanlage
gelangen.
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Gebläse 6 drücken bestimmte Mengen von Luft durch Rohr 7 und Zweigrohre
7a in Brenner 8, die mit dem Inneren der Kontaktapparate 39 in Verbindung stehen.
An diesen Brennern unterhält die auf diese Weise eingeführte Luft die Verbrennung
eines Teiles des in Behandlung befindlichen Gases, der von dem Hauptrohr 48a durch
Rohr 9 abgezweigt und bei io gemessen wird. Die Flammen der Brenner 8 können für
Hilf sheizzwecke ausgenutzt werden oder dazu dienen, geringe Mengen Stickstoff einzuführen,
um die Zusammensetzung des Gasgemisches im bestimmten Verhältnis seiner Bestandteile
so gleichmäßig -wie möglich zu halten.
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Der Erhitzer 47, der auch als erster Wärmeaustauscher angesprochen
werden kann, wird dazu verwendet, eine bestimmte Menge des erforderlichen Dampf-
oder Wassergehaltes des Reaktionsgasgemisches zu erzeugen, wobei die geringe Wärme,
die den - abziehenden Gasen beim Verlassen des Austauschers 47a noch geblieben ist,
als Wärmequelle ausgenutzt wird. Der Erhitzer 47 wird für diesen Zweck als sogenannter
Naßrohräustauscher betrieben, in dem Wasser dauernd in Umlauf gehalten wird. Dieses
Wasser wird durch Pumpe B und Rohr C oben in den Erhitzer 47 eingeführt und so verteilt,
<laß es auf der Innenfläche der Austauschrohre in inniger Berührung mit dem aus
dem Röhr 48a kommenden Rohgas niederrieselt. Die Inneneinrichtung des oberen Abschlußstückes
12 des Erhitzers 47 ist dabei so ausgeführt, daß das Wasser auf alle Rohre verteilt
-wird und nicht etwa die gesamte Wassermenge als geschlossene Masse nur durch eine
bestimmte Anzahl der Rohre hindurchgehen kann. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist,
daß das den Erhitzer 47 durchströmende Wasser im Wärmeaustausch mit den noch heißen
Gasen, die aus Rohr 49 zuströmen, erhitzt wird, während das aus Rohr 48a kommende
Rohgas ebenfalls heiß und mit Wasserdampf gesättigt wird, der sich aus dem umlaufenden
Wasser bei dieser Temperatur entwickelt. Das überschüssige Wasser -wird in der angegebenen
Weise wieder zurückgeführt, -wobei die umlaufende Wassermenge durch entsprechenden
Zusatz von frischem Wasser gleichgehalten wird.
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Die Temperaturverhältnisse usw. sind nicht ausreichend, um in dem
Erhitzer 47 die gesamte in den Kontaktapparaten 39 benötigte Dampfmenge zu erzeugen.
Die Zusatzmenge wird bei E in Gestalt von Niederdruckda.mpf zugeführt, der aus Rohr
48 kommt und bei i i gemessen wird.
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Die Verbindungen sind derartig, daß dieser Dampf entweder bei A oder
bei E in die Anlage eintreten kann. Für die Zwecke der zu beschreibenden Maßnahmen
ist jedoch die Verbindung bei A als geschlossen zu betrachten, so daß der gesamte
als Niederdruckdampf zugeführte Dampf aus Rohr .I8 nur bei E in die Anlage eintritt.
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Für die befriedigende Durchführung des Verfahrens muß die Temperatur
in den Kontaktapparaten 39 innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden, beispielsweise
derart, daß die Temperatur der austretenden Gase im Rohr 43 54o bis 56o° C beträgt.
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In dem Naßrohraustauscher ist in weitem Maße Vorsorge für die selbsttätige
Aufrechterhaltung der Temperatur in den erforderlichen Grenzen getroffen. Steigt
nämlich aus irgendeinem Grunde die Temperatur der die Kontaktapparate 39 durch Rohr
43 verlassenden Gase, so steigt auch die Temperatur der in den Austauscher 47 durch
Rohr 45 eintretenden Gase, wodurch eine Erhöhung der Dampfentwicklung in das durch
Rohr 48a in den Austauscher 47 eintretende Gas hineinbewirkt wird, so daß das den
Austauscher 47 durch Rohr 49 verlassende Gas mehr Dampf enthält. Dieses Gasdampfgemisch
geht nach Durchziehen der anderen beiden Austauscher durch Rohr 52 in die Kontaktapparate,
und da die mit dem Gas mitgehende Dampfmenge größer als vorher ist, wird die Reaktionshitze
(die gleich bleibt) in den Kontaktapparaten 39 dazu ausgenutzt, die Temperatur einer
Masse zu erhöhen, die größer als vorher ist, und deshalb ist die Temperaturzunahme
geringer. Dies bedeutet natürlich, daß beim Ansteigen der Temperatur der aus den
Kontaktapparaten 39 austretenden Gase die erhöhte Dampfmenge eine Temperaturerniedrigung
bewirkt.
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Fällt dagegen die Temperatur der die Kontaktapparate 39 durch die
Leitung 43 verlassenden Gase, so wird. eine geringere Dampfmenge im Austauscher
47 erzeugt. Der in die Apparate 39 eintretende Gasstrom bringt dann eine kleinere
Dampfmenge mit, so daß die Reaktionswärme, die zum Erhöhen der Temperatur einer
kleineren Menge benutzt wird, eine stärkere Temperaturerhöhung hervorbringt.
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Als Ergebnis der beschriebenen Vorgänge ist aus der Praxis festzustellen,
daß die Änderungen in der Austrittstemperatur der aus den Apparaten 39 abziehenden
Gase ausreichen, die im Austauscher 47 erzeugte Dampfmenge derart zu regeln, daß
dadurch die Austrittstemperatur der aus den Kontaktapparaten durch Rohr 43 abziehenden
Gase
stets im gewünschten Sinne beeinflußt wird. In beiden Fällen
ist dann bei einer Temperaturänderung der aus den Apparaten 39 austretenden Gase
die Wirkung des Naßrohraustauschers die, daß die Temperatur des später austretenden
Gasstromes in umgekehrter Richtung geändert wird, wodurch diese Temperatur und infolgedessen
auch die Temperatur in 39 zu der gewünschten Höhe zurückgebracht werden. Diese Wirkung
des Austauschers 47, in der Anlage als selbsttätige Temperaturregelvorrichtung zu
dienen, kann es überflüssig machen, die Brenner 8 zur Einstellung der in 39 erforderlichen
Temperatur in Tätigkeit zu setzen, wodurch der Verlust des an den Brennern 8 verbrauchten
Gases vermieden wird.
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Die beschriebene Wirkungsweise des Austauschers 47 gibt auch die Möglichkeit,
eine Temperaturregelung durch Beeinflussung des aus der Leitung 48 bei der Stelle
E eintretenden Dampfes vollständig wegzulassen oder doch wesentlich einzuschränken.
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Die beschriebene Verwendung des Erhitzers 47 als Naßrohraustauscher
ist nicht nur als Temperaturregler und als Mittel zur Dampferzeugung von Wert, sondern
erhöht auch die Wärmeübertragungsleistung dieses Austauschers. Unter einer Reihe
von Vorteilen, die durch die Benutzung des Erhitzers 47 in der beschriebenen Weise
erzielt werden, sind zu nennen die Erzeugung von Dampf; die Ausnutzung der den behandelten
heißen Gasen innewohnenden Wärme, die sonst nicht richtig ausnutzbar ist, als Mittel
zur Dampferzeugung; die vervollkommnete Ausnutzung der den abziehenden Gasen innewohnenden
Wärme; die Erhöhung der Wärmeübertragung; die allgemeine Heraufsetzung der Wirtschaftlichkeit
und Leistungsfähigkeit; eine erleichterte Bedienung.