DE939868C - Verfahren zum Betriebe von Roehrenkontaktoefen der Ammoniaksynthese und Vorrichtung zu dessen Durchfuehrung - Google Patents

Description

In den Kontaktröhren der Ammoniaksyntheseanlagen verläuft der exotherme Prozeß der Ammomiakbilduing aus Stickstoff und Wasserstoff so, daß ein Großteil des Ammoniaks bereits, in den Anfangsabschnitten der Rohre gebildet wird und die- weiteren Rohrabschnitte mehr oder minder nur mehr der Vervollständigung der Umsetzung dienen. Dement sprechend wird auch in den Anfangs abschnitten überwiegend mehr Wärme frei, und es bedarf gerade an diesen Stellen einer erhöhten Kühlung, um das Reaktionsgleichgewicht des Prozesses in diesem Teil der Apparatur durch Einhaltung der optimalen Temperatur einzustellen. Da es sich um den wesentlichsten Punkt des Verfahrens überhaupt handelt, haben sich schon zahlreiche Versuche anderer mit diesem Problem befaßt, ohne es bisher in wirklich brauchbarer Weise gelöst zu haben.

Das Verfahren und die zu seiner Durchführung dienende Anordnung an den üblichen Röhrenkontaktöfen der Ammoniaksynthese haben eine überraschend günstige Beeinflussung des Verfahrens und damit eine beachtenswert bessere Ammomiakatisbeute ergeben.

Der verfahrensmäßige Teil der Erfindung besteht nun darin, daß einerseits der Synthesegasstrom so geführt wird, daß er nach der bekannten rekuperativen Aufwärmung im Wärmeaustauscher des Ofens die Katalysatorrohre an einer solchen Stelle beaufschlagt, wo unerwünschte

Wärmemengen abzuführen sind, wobei die unteren, also die Endabschnitte der Kontaktrohre, umgangen wenden, und andererseits,. daß. dieser Teil der

' Temperaturregelung im Kontaktröhrensystem durch Zufuhr einer bestimmten und regelbaren Menge von weniger aufgeheiztem, im Bedarfsfalle sogar von kaltem Frischgas an bestimmte Stellen der Kontaktrohre ergänzt wird, so daß an Stelle zu heißer und zu kalter Zonen die optimale Reaktionstemperatur

ίο annähernd über die ganze Länge der Kontaktrohre verteilt ist, was neben der Temperaturmessung auch durch erhöhte Ammoniakausbeuten bestätigt wird.

In der Zeichnung ist in einem Ausführungsbeispiel ein zweckmäßig gestalteter Ofen zur Durchführung des neuen Verfahrens dargestellt. Bei dieser Anordnung wird das Synthesegas am oberen Ofendeckel eingeführt; es umspült bei dieser Art der Einführung wie üblich den Mantel 2 des Ofeneinsatzes, begrenzt von Mantel 2, unterem Boden 3 und Deckel 4, und tritt unmittelbar über dem unteren . Boden 3 in den Wärmeaustauscher (Abschnitt I der Zeichnung), wo es in bekannter Weise annähernd auf die zur Aufrechtefhaltuing der Reaktion nötige Temperatur aufgeheizt wird. Am oberen Ende des Wärmeaustauschers jedoch wird der Gasstrom erfindungsgemäß, geteilt. Ein Teil des Gases geht durch eine Mittelöfrhiung 7 des Zwischenbodene (Abschnitt II -der Zeichnung·) in das Zentralrohr 9 im Kontaktteil des Ofens (Abschnitt III der Zeichnung), ein anderer Anteil umströmt den unteren Teils des Zwischenbodens (II) und vereinigt sich so'dann, da hier der obere Teil 6 des Zwischenbodens (II) gasdicht mit dem Innenmantel 2 abschließt, durch mehrere, beispielsweise vier, im Zwischenboden gasdicht angeordnete radiale Rohre mit Kompensationsknie 8 hindurch mit dem Hauptgasstrom im Rohr 9. Diese Anordnung hat den Zweck, ungleichmäßige und manchmal gefährliche Temperatuardifferenzspanniuingen im -Zwischenboden(II) dadurch auszuschalten, daß er durch das gegenüber dem ausreagierten Endgas kältere Frischgas sowohl zentral als auch peripher auf gleichen Temperaturen gehalten werden kann. Ein älterer Vorschlag·, Wärmespannungen im Zwischenboden durch ein· zentrales Kompensator rohr auszugleichen, ist apparativ' ungünstig und bedingt außerdem einen höheren Abstand der beiden Teile dee -ZWischenbodens, was wiederum die Ofenhöhe unerwünscht weiter vergrößert.

Der im Zentralrohr 9 des Abschnittes III wieder vereinigte Frischgasstrom passiert dieses bis zu seinem entjgegengesetzten, vorzugsweise dem oberen Ende, in das der Brenner 11 hineinragt, wo das Gas durch öffnungen 12 in ein konzentrisches, äußeres Gegienstrcnmrohr ι ο und durch dieses wieder im Gegenstrom, also vorzugsweise nach abwärts·;, bis an jene Stelle 13 der Kontaktrohre 14 geführt wird, wo die Überhitzungszone liegt. Das Gas wird also durch teilweise Umgehung der Kontaktrohre weniger vorgewärmt an die zu kühlenden Kontaktrohrteile herangebracht. Das Frischgas tritt nun erst in die erfindungisgemäß in den oberen Ofeneinsatzraum offen und frei stehend mündenden Kontaktrohre 14, wonach es die letzteren als Gemisch aus Ammoniak und Restgas verläßt, um auf dem üblichen Wege über den Zwischenboden und den Wärmeaustauscher in die Kondensation zu gehen. Der Gasweg im Zwischenboden (II) und im Kontaktteil (III) des Ofens ist also gegenüber dem bisher üblichen grundlegend geändert. Im allgemeinen liegt bei normaler Beanspruchung des Ofens die Zone höchster Temperaturentwicklung etwa in einem Drittel der Höhe der Kontaktrohre, doch kann sich diese Stelle an einem und demselben Ofen bei Änderung der Güte des Katalysators oder der Ofenbelastung verschieben. Diese Änderungen können mit den nachfolgend beschriebenen Zusatzeinrichtungen einwandfrei ausgeglichen werden.

Es kann also vorkommen, daß durch Änderung der Belastung des Ofens gegebenenfalls vorübergehend andere Verhältnisse eintreten, die einen wähnend des Betriebes, also· von außen regelbaren, weiteren inneren Wärmeausgleich erforderEch machen. Für diesen Fall ist vorgesehen, die unteren Enden der Kontaktrohre durch weni<gear aufgeheiztes Frischgas abzukühlen, das von einer Stelle des rekuperativen Wärmeaustauschers (I) entnommen wird, wo es durch letzteren noch nicht völlig auf die Umsetzungstemperatur gebracht ist. Diese Stelle liegt vorzugsweise im unteren Teile des Wärmeaustauschers (I). Aus diesem Räume strömt somit ein Teil des beneits etwas vorgewärmten Gases in das oben offene, zentrale Rohr 17 (Fig. 1 und 2). Von hier wird es entweder gemäß Fig. 1 der Zeichnung über ein von außerhalb des Ofens betätigtes Regelventil 18 über Röhrchen 19 durch den abschließenden Flansch des Teils 6 des Zwischenbodens (II) an die unterste Stelle der Kontaktrohre 14 oder aber gemäß Fig. 2 wieder über ein. von außen zu betätigendes Regelventil 18, über ein konzentrisches Innenrohr 21, durch die zentrale Öffnung 7 des Zwischenbodens, über eine Verteilerspinne 22 an die gleiche Stelle der Kontaktrohre 14 geleitet.

In beiden Fällen der Fig. 1 und. 2 befindet sich das Regelventil 18 im heißen Gasweg, also im Hochdruekraucn des Kontaktofens, während der Ventilschaft, da er von außen betätigt werden muß, den Ofenboden über eine Stopfbüchsenanondnung 20 durchsetzt.

Mitunter kann — insbesondere aber bei frischer Kontaktmassefüllung — der Fall eintreten, daß. mit der geschilderten Frischgasführung noch nicht das Optimum des Temperaturspitzenausgleichs erreicht wird. In solchen Fällen muß die entstandene Reaktionswärme in den besagten Kontaktfohrteilen zusätzlich mittels Kaltgas abgeführt werden. Die Kaltgaszuführung in den Kontaktraum von NH₃-Öfen zur Kühlung überhitzter Stellen ist an sich bei derartigen Einrichtungen bekannt. Erfindungsgemäß ist jedoch beim vorliegenden Kontaktofen eine originelle und äußerst einfache Kaltgas zuführung vorgesehen, durch deren Anwendung der Ofen in seinen wesentlichen Teilen keine Veränderung zu erfahren braucht. Sie besteht in- einer besonderen Kaltgaszuführung 23 in Fig. 1 am oberen Ofen-

deckel, über welche das Frischgas ohne vorherige Aufwärmung durch den oberen Abschluß des Ofeneinsatzes 4 hindurch einer etwa ringförmigen Verteilungsleitung 2 5 zugeführt wird, von welcher aus es durch eine Vielzahl von engen Röhrchen 26 zwischen den Kontaktrohren bis zu jener Stelle derselben geführt wird, die den stärksten Kühlungsbedarf hat. Diese Kaltgas-Zuführungsröhrchen können gleich lang sein oder nach Bedarf verschiedene Länge aufweisen. Es können aber auch mehrere Zuleitungen und Verteilerspinnen jeweils Röhrchen von verschiedener Länge regelbar mit Kaltgas versorgen. Das auf diese Weise dem Kontaktsystem (III) zugeführte Kaltgas kühlt die heißgehenden Partien der Kontaktrohre von außen ab, unter gleichzeitiger Erhöhung der Ammoniakbildung im Kontakt.

Die oben dargelegten, erfindungsgemäßen Abänderungen der üblichen Fahrweise und Ofenkonstruktion bringen gleichzeitig Verbesserungen für den Ofen selbst mit sich, die dessen Haltbarkeit bedeutend erhöhen. Zum Beispiel sind die bisher gefürchteten Spannungsrisse am Zwischenboden durch die beschriebene Gasführung an dieser Stelle praktisch nicht zu befürchten. Vor allem aber ist es auf die geschilderte Weise möglich, die bei vielen modernen Ofentypen übliche Abdichtung der Kontaktrohrenden in einer Stopfbüchsenpaekung unterhalb des Ofemeinsatzdeokels 4 gänzlich wegzulassen, weil das Gas nunmehr aus dem freien Raum um die Kontaktroiire ohne weitere Umwege direkt in die dort offenen Kontaktrohre geführt wird. Durch Wegfallen der Stopfbüchsenpackung aber ist eine Quelle ständiger Betriebsstörungein sowie teurer und zeitraubender Reparaturen beseitigt, die Kontaktrohre und die übrigen Teile der Inneneinrichtung des Ofens können sich nun ungehindert ausdehnen. Die noch verbleibende Abdichtung 16 des wärmeisolierenden Ofeneinsatzdeckeis 4 über dem Ende der Kontaktrohre gegen den stählernen oberen Ofendeckel macht bekanntlich keine Schwierigkeiten, ebensowenig die Abdichtung· 15 der Gegenstromrohre 9 und ι ο gegen den inneren Ofeneinsatz- oder Kontaktrauimdeckel 4, weil diese ja keinem nennenswerten Druckunterschied widerstehen muß.

Ein weiterer beachtlicher Vorzug der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kontakteinrichtung ist durch das leichtere Leersaugen und Füllen der Kontaktrolle gegeben, die ja in diesem Falle wegen des Wegfallens der obenerwähnten Stopfbüchsenanordnung keine Verengung mehr am Gaseintrittsund Füllende aufzuweisen brauchen.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   I.Verfahren zum Betriebe von Röhrenkontaktöfen der Ammoniaksynthese mit rekuperativem Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß das im Wärmeaustauscher aufgeheizte Synthesegas den Zwischenboden zwischen Kontaktteil und Wärmeaustauscher durch- und umströmt und nach Wiedervereinigung dieser Teilströme und nach dem Passieren eines axialen doppelwandigeaa Gegenstromrohres im Kontaktteil an die Stelle höchster Wärmeentwicklung der Kontaktrohre tritt, von wo es nach Umspülung des übrigen Teils der letzteren in deren frei in den Ofenraum ragende, offene Enden eintritt.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil (6) des Zwischenbodens, mit dem Einsatzmantel (2) gasdicht abschließt, daß beide Teile des Zwischenbodens in einer zentralen Bohrung 'ein im Kontaktteil des Ofens befindliches Rohr (9) haltern, dessen verjüngtes, unteres Ende im unteren Teil (5) des Zwischenbodens zu 'einer nach oben wirkenden Düse (7) ausgestaltet ist, daß radiale Röhren (8) den Raum um den Zwischenboden durch dessen Hohlraum hindurch mit dem Zentralrohr (9) verbinden, daß das Zentralrohr (9) an seinem oberen Ende- Gasauslässe (12) beliebiger Art besitzt, daß dieses Rohr von einem zweiten Rohr (10) in geringem Abstand konzentrisch umgeben ist, welch letzteres wieder Gasauslässe (13) ungefähr an der heißesten Stelle der Kontaktrohre (14), vorzugsweise etwa in deren unterem Drittel, besitzt und endlich, daß die Kontaktrohre (14) an ihrem oberen, offenen Ende frei unterhalb des Ofeneinsatz deckeis (4) endigen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem unteren Teil des rekuperativen Wärmeaustauschers (I) ein Teil des hier noch schwächer vorgewärmten Synthesegases entnommen und zusätzlich zur Kühlimg der untersten Teile der Katalysator öhre (14) im Kontaktteil (III) des Ofens verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme von Synthesegas aus dem Wärmeaustauscher (I) durch ein von außerhalb des Ofens zu betätigendes Ventil regelbar erfolgt.
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet durch ein zentrales Gasentnahmerohr (17), das den Ofeneinsatzboden (3) durchsetzt und in einem Ventil (18) endigt, durch Gaszuleitungsröhrchen (19), die das schwächer vorgewärmte Frischgas von der Entspannungsseite des Ventils (18) durch den Ofeneinsatzboden (3) hindurch, um den Zwischenboden unterteil (5) herum und durch den Flansch des Zwischenbodenoberteils (6) hindurch an das untere Ende der Katalysatorrohre (14) im Kontaktteil (III) des Ofens leiten, wobei der Ventilschaft (18) durch eine Stopfbüchsenanordnung (20) im Boden des Hochdruckkörpers des Ofens hindurchgeführt ist.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet durch ein zentrales Gasentnahmerohr (17), das den Ofeneinsatzboden (3) durchsetzt und in einem Ventil (18) endigt, durch eine

   innere, zum Entnahmerolir (17) koaxiale Rohrleitung (21) auf der EntspannungsBeite des Ventils (18), welches Rohr (21) durch die Düse (7)'im unteren Zwischenbodenteil (5) Hndurehgieführt ist und ungefähr am unteren Ende der Katalysatorrohre im Kontaktteil (III) in -eine Vertedlerspinnie (22) mündet, die wiederum mit idem Zentralrohr (9) im Kontaktteil (III) des Ofens gasdicht abschließt und das kühlere Synthesegas an die Katalysatorrohre (14) bläst, wobei auch hier der Ventilschaft (18) durch 'eine Stopfbüchsenanordnung im Boden des Hochdruckkörpiers (20) hindurchgefühlt ist.
7. 7. Verfahren nach Anspruch. 1 unter An-Wendung· der bei der Ammoniaksynthese an sich bekannten Kaltgaseinführung, dadurch, gekennzeichnet, daß die fallweise erforderliche zusätzliche Kaltgasmenge durch den oberen Ofendeckel und den oberen Einsatz deckel hindurch nach Verteilung auf eine Anzahl von Röhrchen mittels dieser in die Zwischenräume zwischen den Katalysatorrohren an die Stelle des größten Kühlungsbedarfs der letzteren geleitet wird.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ■eine flexible Kaltgaszuleitung (23), die entsprechende Bohrungen im Deckel (24) des Hochdruckkörpers des Ofens und im oberen Einsatzdeckel (4) aufweist und sodann in eine Ringleitung (25) mündet, von welcher ausgehend beliebig viele Zuleitungsröhrchen (26) entweder in einer gemeinsamen Mündungeebene oder in verschiedenen Höhen an jenen Stellen zwischen den Katalysatorrohren (14) des Kontaktrauimes (III) frei hängend enidigen, wo un-■erwünschte Überhitzungen beseitigt werden sollen.

   Angezogene Druckschriften:

   G. Fau.ser, »La Chimica E L'Industria«, 32, (1950), S. ι bis 8;

   deutsche Patentschriften Nr. 502 228, 554 856.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   I 509 690 4.56