DE888996C

DE888996C - Process for the catalytic production of ammonia

Info

Publication number: DE888996C
Application number: DEST2183D
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Marecek; Max Dr Naumann
Original assignee: Chemie Linz AG
Current assignee: Patheon Austria GmbH and Co KG
Priority date: 1942-08-19
Filing date: 1942-08-19
Publication date: 1953-09-07

Description

Verfahren zur katalytischen Herstellung von Ammoniak Bei der katalytischen Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff-Wasserstoff-Gemischen unter hohem Druck ist die Aufrechterhaltung günstiger Reaktionstemperaturen für die Leistungsfähigkeit der Anlage von wesentlicher Bedeutung. Das Frischgas muß mit einer hinreichend hohen Temperatur in den Katalysator eintreten, andererseits ist die erhebliche Realetionswärme so wirksam abzuführen, daß schädliche Temperatursteigerungen vermieden werden. Zur Erreichung dieses Zieles kann man die Katalysatormasse in kleinere, zu einem System zusammengefaßte Behälter, z. B. Rohre, verteilen oder in ihr ein System von Rohren, Taschen, Kammern od. dgl. anordnen und sie durch die Wandungen dieser Einbauten hindurch in Wärmeaustausch entweder mit dem Frischgas oder mit einem besonderen Kühlmittel oder mit beiden bringen. Man bringt beispielsweise die Katalysatormasse in einem Rohrbündel unter und bespült die äußeren Rohrwandungen mit dem Frischgas vor dessen Eintritt in die Katalysatormasse, um ihr so überschüssige Wärme zu entziehen. Dabei gibt es eine große Zahl von Möglichkeiten der Gasführung in und außerhalb der Katalysatorbehälter, wie Gleichstrom, Gegenstrom, Kreuzstrom in verschiedensten Kombinationen, die aber teils zu umständlich sind und daher nicht zur Anwendung gelangt oder nicht in Anwendung geblieben sind, teils ihren Zweck nicht oder nur in unvollkommener Weise erfüllen. Insbesondere bei recht hohen Drucken sind diese Maßnahmen unzureichend, uni die gebildete Reaktionswärme abzuführen und Temperatursteigerungen auszuschließen.Process for the catalytic production of ammonia In the catalytic Production of ammonia from nitrogen-hydrogen mixtures under high pressure is maintaining favorable reaction temperatures for performance of the plant is essential. The fresh gas must be sufficiently high Enter temperature in the catalyst, on the other hand is the considerable heat of realization dissipate so effectively that harmful temperature increases are avoided. To the Achieving this goal can be the catalyst mass in smaller, to a system combined containers, e.g. B. pipes, distribute or in it a system of pipes, Pockets, chambers or the like. Arrange and them through the walls of these internals through in heat exchange either with the fresh gas or with a special one Bring coolant or both. Bring the catalyst mass, for example in a tube bundle and flushes the outer tube walls with the fresh gas before it enters the catalyst mass in order to remove excess heat from it. There are a large number of possibilities for gas routing inside and outside the catalyst tank, such as cocurrent, countercurrent, crosscurrent in various Combinations, some of which are too cumbersome and therefore not applicable reached or not remained in use, partly not or only their purpose fulfill in an imperfect way. This is especially true for very high pressures Inadequate measures, uni to dissipate the heat of reaction formed and exclude temperature increases.

Es ist weiterhin bekannt, bei der Ammoniaksynthese eine gewünschte günstige Reaktionstemperatur im Katalysator ohne Anwendung reaktionsfremder Kühlmittel in einer bei den meisten Ofenausführungen ohne weiteres anwendbaren Weise dadurch aufrechtzuerhalten, daß man das umzusetzende Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch vor Eintritt in den Katalysator an den Wandungen des Katalysatorbehälters vorwärmt und dann einen Teil des Gasstromes vor Eintritt in den Katalysatorbehälter aus der Vorrichtung abführt. Durch diese Arbeitsweise hat man es in der Hand, überschüssige Reaktionswärme leicht und regelbar abzuführen. Man bleibt jedoch von den theoretisch erreichbaren Umsatzwerten immer noch ein gutes Stück entfernt.It is also known to have a desired in the synthesis of ammonia favorable reaction temperature in the catalyst without the use of non-reactive coolants in a manner readily applicable to most furnace designs thereby to maintain that the nitrogen-hydrogen mixture to be converted is in front of Entry into the catalyst on the walls of the catalyst container and preheated then part of the gas flow from the device before entering the catalyst container discharges. This way of working you have it in hand, excess heat of reaction easily and controllably discharged. One remains, however, from the theoretically achievable Sales figures are still a long way off.

Es wurde nun gefunden, daß man den Umsatz weiter erheblich verbessern kann, wenn man einen Teil des vorgewärmten Gemisches vor oder nach Eintritt in die Katalysatorschicht abführt und den Wärmeinhalt des so abgeführten Gases oder den Wärmeinhalt des Gases, das den Katalysator durchströmt hat, oder den Wärmeinhalt beider Gase teil-,veise auf das zugeführte Gemisch überträgt, bevor dieses an den Wandungen des Katalysatorbehälters weiter vorgewärmt wird.It has now been found that the conversion can be further improved considerably can, if one part of the preheated mixture before or after entering the Removes catalyst layer and the heat content of the gas or the removed Heat content of the gas that has flowed through the catalyst or the heat content of both gases partially, or transfers to the supplied mixture before this to the Walls of the catalyst container is further preheated.

Das Verfahren wird durch die Zeichnung beispielsweise erläutert. Iri einem druckbeständigen Rohr A ist der Rohrbündeleinsatz B angeordnet, der die Katalysatorrohre E enthält. Das oben bei K eintretende kalte Gasgemisch durchströmt zunächst den Zwischenraum C zwischen Rohr A und Einsatz B, um dann in den Außenraum des Wärmeaustauschers D einzutreten. Nach dem Austritt aus dem Wärmeaustauscher strömt das Gas innerhalb des Einsatzes B an der Außenwandung der Katalysatorrohre E nach oben, tritt dann bei F in diese Rohre ein und in ihnen nach untern in die Rohre des-Wärmeaustauschers, verläßt ihn bei G und den Ofen durch I. Bei F, hier also kurz vor dem Eintritt in die Katalysatorrohre, wird ein Teil des erhitzten Gasgemisches abgezweigt; er verläßt den Einsatz durch das Rohr H. Wird der Katalysator zu heiß, so wird mehr Gas, wird er zu kalt, wird weniger Gas abgeleitet. Es läßt sich se der Umsatz mit sehr-iHnfachen Mitteln bedeutend erhöhen.The method is illustrated by the drawing, for example. Iri A pressure-resistant tube A, the tube bundle insert B is arranged, which the catalyst tubes E contains. The cold gas mixture entering above at K first flows through the Gap C between tube A and insert B, then to the outside of the heat exchanger D to enter. After exiting the heat exchanger, the gas flows inside of the insert B on the outer wall of the catalyst tubes E upwards, then occurs at F in these tubes and in them down into the tubes of the heat exchanger, leaves it at G and the furnace through I. At F, here shortly before entering into the catalyst tubes, part of the heated gas mixture is branched off; he leaves the insert through the tube H. If the catalyst becomes too hot, more gas will be if it is too cold, less gas is discharged. The conversion can be increased by a very large factor Significantly increase funds.

Während im vorliegenden Beispiel die Wärme des Gases, das den Katalysator durchströmt hat, auf das ankommende Gemisch übertragen wird, kann man auch das vor Eintritt in den Katalysator (aus H) abgeführte heiße Gas oder beide Gase teilweise hierfür verwenden. Die günstige Wirkung des Verfahrens ist insofern eigenartig, als die beiden miteinander vereinigten Maßnahmen, die Abführung von heißem Gas und der Wärmeaustausch, an sich einander entgegenwirken.While in the present example the heat of the gas that is the catalyst has flowed through, is transferred to the incoming mixture, you can also do that before Entry into the catalyst (from H), discharged hot gas or both gases partially use for this. The beneficial effect of the procedure is peculiar in that as the two combined measures, the discharge of hot gas and the heat exchange, in itself counteract each other.

Der Umfang des Wärmeaustausches richtet sich nach den Arbeitsbedingungen, insbesondere dem Druck undder Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgases. Man kann ihn durch Wahl eines Wärmeaustauschers mit entsprechender Wirksamkeit festlegen oder -den Wärmeaustauscher reichlich bemessen und eine regelbare Menge von Gas im Kreislauf führen. Die Übertragung der Wärme kann auch mittelbar sein, beispielsweise kann man Wärme vom abgeführten Heißgas auf das ankommende Gemisch durch die Vermittlung von Wasserdampf übertragen. Nach der Wärmeübertragung kann das Gas, wie im angeführten Beispiel, an einer Stelle oder auch an mehreren verschiedenen Stellen auf die Außenwände des Katalysatorbehälters geleitet werden.The extent of the heat exchange depends on the working conditions, in particular the pressure and the flow rate of the reaction gas. One can determine it by choosing a heat exchanger with the appropriate effectiveness or -the heat exchanger amply sized and a controllable amount of gas in the Run a cycle. The transfer of heat can also be indirect, for example one can heat from the discharged hot gas to the incoming mixture through the mediation transferred by water vapor. After the heat transfer, the gas can, as stated in Example, in one place or in several different places on the outer walls of the catalyst tank.

Die Abführung des am Katalysator weiter vorgewärmten Gases kann vor oder nach Eintritt in den Katalysator erfolgen. Ist beispielsweise der Katalysator in an sich bekannter Weise in ein Rohrbündel eingefüllt, das von dem ankommenden Stickstoff-Wässerstöff-Gemisch umspült wird, so wird ein Teil des so weiteir vorgewärmten Gemisches vor dem Eintritt des Gases in die Rohre aus dem Ofen abgeleitet. Er wird, gegebenenfalls nach der Wärmeübertragung; zweckmäßig mit jenem Teil des Gasstromes, de!r den Katalysator in den Rohren durchstTömt hat und durch Kühlung von dem gebildeten Ammoniak befreit worden ist, wieder vereinigt. In ähnlicher Weise verfährt man, wenn der Katalysator von Kühlschlangen oder Kühltaschen durchzogen ist. Die Menge des abzuzweigeinden Gases richtet sich nach dem- Betrag der abzuführenden Wärmemenge, also nachdem Umsatz und Durchsatz sowie dem Grade der Wärmeübertragung. Bei dieser Ausführungsform tritt ein Teil des Gases mit derselben Temperatur in den Katalysator ein, mit der ein anderer Teil des Gases abgeführt wird. Man kann aber den abzuzweigenden Teil des vorgewärmten Gasgemisches schon früher abführen, etwa nachdem das Gas zwei Drittel des Weges entlang -den Katalysatorrohren zurückgelegt hat, und so erreichen, daß der in den Katalysator eintretende Teil des Gases auf eine höhere Temperatur als der abgezweigte Teil erwärmt ist. Je nach den Bedürfnissen der Wärmeabfuhr und je nach Wahl der Temperatur beim Eintritt des Gases in den Katalysator kann an einer oder an mehreren Stellen vorgewärmtes Gas entnommen werden, wobei die Mengen zweckmäßig unabhängig voneinander geregelt werden.The discharge of the gas further preheated on the catalyst can be carried out before or after entering the catalyst. For example, is the catalyst filled in a known manner in a tube bundle, which is from the incoming Nitrogen-hydrogen mixture is flushed around, so a part of the so weiteir preheated Mixture discharged from the furnace before the gas enters the tubes. He will, optionally after heat transfer; expediently with that part of the gas flow, which has flowed through the catalyst in the tubes and through cooling of the formed Ammonia has been freed, reunited. One proceeds in a similar way, if the catalytic converter is crossed by cooling coils or cooling bags. The amount of the gas to be branched off depends on the amount of heat to be dissipated, thus according to turnover and throughput as well as the degree of heat transfer. At this Embodiment, part of the gas enters the catalyst at the same temperature with which another part of the gas is discharged. But you can branch off the Remove part of the preheated gas mixture earlier, for example after the gas has been released two times Third of the way along -the catalyst pipes, and thus reach, that the entering into the catalyst part of the gas to a higher temperature when the branched part is heated. Depending on the needs of heat dissipation and Depending on the choice of temperature at the entry of the gas into the catalyst, one can or preheated gas can be withdrawn at several points, the amounts being expedient can be regulated independently of each other.

In besonderem Fällen kann es erwünscht sein, heißes Gas erst dann abzuzweigen, nachdem es den Katalysator bereits teilweise durchströmt hat, und zwar kann diese Art der Abführung von heißem Gas für sich allein oder in Verbindung mit den anderen Maßnahmen angewandt werden.In special cases it may be desirable to release hot gas only then branch off after it has already partially flowed through the catalyst, namely can use this type of discharge of hot gas on its own or in conjunction with the other measures are applied.

Um die Temperatur in den einzelnen Teilen des Katalysators noch feiner einzustellen, -insbesondere in Fällen, in denen das Gasgemisch bei der Umsetzung lange Katalysatorstrecken mit zweckmäßig fallender Temperatur durchströmt, empfiehlt es sich, dem Gas, das im Wärmeaustausch mit dem Katalysator durch die Wandungen des Katalysatorbehälters steht, noch kaltes Gas zuzuführen. Beispielsweise trennt man von dem Gasgemisch, nachdem es z. B. zwei Drittel seines Weges an den Katalysatorrohren zurückgelegt und eine hohe Temperatur angenommen hat, einen Teil ab und führt eine ebenso große oder auch größere oder kleinere Menge kalten Gases an der gleichen oder an anderer Stelle zu. Die Abführung des heißen und die Zuführung des kalten Gases kann auch durch das gleiche Rohr periodisch erfolgen, insbesondere wenn nur kleine Mengen abgezweigt werden. Gleichzeitig kann an anderen Stellen noch heißes Gas abgeführt werden.To make the temperature in the individual parts of the catalyst even finer adjust, -in particular in cases where the gas mixture in the implementation long catalytic converter stretches with appropriately falling temperature flows through, recommends it is the gas that exchanges heat with the catalyst through the walls of the catalyst tank is still to supply cold gas. For example, separates one of the gas mixture after it z. B. two thirds of its way to the catalyst tubes traveled and has reached a high temperature, part of it and performs a equally large or larger or smaller amount of cold gas in the same or elsewhere too. The discharge the hot and the feeder of the cold gas can also be made periodically through the same pipe, in particular when only small amounts are diverted. At the same time, it can be done in other places hot gas can be discharged.

Die Zuführung kalten Gases in Verbindung mit der Abführung von heißem Gas kann ebenfalls innerhalb der Katalysatorräume vorgenommen werden. Vorzugsweise wird dann das kalte Gas etwa an der Stelle zugeführt, an der das heiße Gas entnommen wird. Eine geeignete Ausführungsform besteht darin, daß man aus dem Katalysator heißes Gas abführt und nach Abkühlung durch eine Pumpe wieder in den Katalysatorraum hineindrückt. Die Wirkung ist besonders stark, wenn die Abkühlung bis zur. Kondensation von flüssigem Ammoniak getrieben wurde.The supply of cold gas in connection with the removal of hot gas Gas can also be made within the catalyst spaces. Preferably the cold gas is then supplied approximately at the point at which the hot gas is withdrawn will. A suitable embodiment consists in that one of the catalyst discharges hot gas and after cooling by a pump back into the catalyst room pushes in. The effect is especially strong when cooling down to. condensation was driven by liquid ammonia.

Soweit die Wärme in dem abgeführten heißen Gas oder im Reaktionsgas nicht übertragen wird, kann sie zur Erzeugung von Dampf oder auch zu anderen Zwecken verwendet werden, beispielsweise zur Heizung von Katalysatoröfen, die unter ungünstigen Bedingungen arbeiten und nicht genügend Wärme entwickeln. Feirner kann durch die heißen Gase ein zur katalytischen Reinigung der umzusetzenden Gase dienender Ofen (Vorkatalysator) auf der erforderlichen Temperatur gehalten werden; dieser Vorkatalysator kann räumlich getrennt im gleichen Druckrohr wie der Hauptkatalysator angeordnet sein.So much for the heat in the discharged hot gas or in the reaction gas is not transmitted, it can be used to generate steam or for other purposes be used, for example, for heating catalyst furnaces, which are under unfavorable Working conditions and not developing enough heat. Feirner can through the hot gases a furnace serving for the catalytic cleaning of the gases to be converted (Pre-catalyst) are kept at the required temperature; this pre-catalyst can be spatially separated in the same pressure pipe as the main catalytic converter be.

Eine besondere Bedeutung hat ,das Verfahren bei Führung des Stickstoff-Wasserstoff-Gemisches im Kreislauf und bei Anwendung hoher Drucke, vor allem im Gebiet von etwa aoo bis 6oo at, das bisher wenig Bedeutung erlangt hat und dessen wirtschaftliche Vorteile durch das vorliegende Verfahren ,veiter erschlossen werden können.The process is particularly important when the nitrogen-hydrogen mixture is carried out in the circuit and when high pressures are applied, especially in the area from about aoo to 6oo at, which has so far gained little importance and its economic advantages through the present process, can be further developed.

Claims

PATENT CLAIMS: i Process for the catalytic production of ammonia from nitrogen-hydrogen mixtures with preheating of the catalyst to be fed Mixture on the walls of the catalyst container, characterized in that part of the preheated mixture before or after entering the catalyst layer discharged and the heat content of the gas discharged in this way or the heat content of the Gas that has flowed through the catalyst, or the heat content of both gases partially is transferred to the supplied mixture before this on the walls of the catalyst container is further preheated. a.

Method according to claim i, characterized in that the removal of hot gas immediately before the mixture enters the catalyst he follows.

3. The method according to claim i and a, characterized in that at the same time or cold gas is supplied alternately with the removal of the hot gas. .

4th Method according to claims i to 3, characterized in that the discharged hot Gas cooled and fed back at the point of its withdrawal or at other points will.

5. The method according to claim i to .4, characterized in that the incoming Mixture after transfer of heat to the outer walls of the catalyst container is directed.