DE973179C - Verfahren zum Betrieb von Konvertierungsanlagen unter hoeheren Drucken - Google Patents

Description

Die Umwandlung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf in Kohlendioxyd und Wasserstoff, die sogenannte Konvertierung, beginnt bei Verwendung der üblichen, in mehr als einer Schicht angeordneten Katalysatoren mit einer Temperatur von etwa 400⁰ C und erreicht je nach dem Kohlenoxydgehalt des zu konvertierenden Gases Temperaturen bis zu 6oo° C in der ersten Katalysatorschicht. Vor Auftreffen auf die jeweils nächste Katalysatorschicht wird das Gas wieder auf 400 bis 440⁰ C gekühlt, und es wird durch diese Zwischenkühlung erreicht, daß das konvertierte Gas den Reaktionsofen mit einer zwischen 400 und 440⁰ C liegenden Temperatur verläßt. Die Übertragung des Wärmeinhaltes des konvertierten bzw. teilkonvertierten Gases, im folgenden Kontaktgas genannt, an das zu konvertierende Frischgas erfolgt mittels Wärmetauschern und meistens mit einem sogenannten Kühler-Sättigersystem, in welchem das Kontaktgas einen Teil seines Wärme- und Wasserdampfgehaltes an Wasser abgibt, mit dem das Kontaktgas in einem sogenannten Rieselkühler in unmittelbare Berührung gebracht wird; ferner gehört zu diesem System ein sogenannter Sättiger, in dem das Frischgas mit dem vom Kühler kommenden heißen Kreislaufwasser berieselt und dadurch aufgeheizt und mit Wasserdampf beladen wird.

In Abb. ι ist schematisch eine solche Konvertierungsanlage dargestellt. Das Frischgas wird im Sättiger ι gesättigt. Bei 2 wird Frischdampf zu-

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gegeben, im Wärmetauscher 3 tritt das Frischgas in Wärmetausch mit dem ' Kontaktgas, und im Zwischen wärmetauscher 4 wird die Reaktionswärme oder ein Teil derselben an das Frischgas abgeführt, das dann mit etwa 400⁰ C auf die erste Katalysatorschicht des Reaktionsofens 5 gelangt. Der Übersichtlichkeit wegen ist dieser Ofen mit nur zwei Katalysatorschichten dargestellt.

Das den Reaktionsofen verlassende Kontaktgas gibt einen Teil seiner Wärme im bereits erwähnten Wärmetauscher 3 an das Frischgas ab und gelangt anschließend in den mit Kreislaufwasser berieselten Rieselkühler 7. Über einen nicht gezeichneten Schlußkühler wird das Kontaktgas der Weiterverarbeitung zugeführt. Das vom Rieselkühler 7 fließende Kreislaufwasser wird auf den Sättiger 1 und das vom Sättiger 1 abfließende Wasser auf den Kühler 7 gepumpt. Der Druck des bei 2 zugegebenen Frischdampfes muß höher sein als der, mit der die Konvertierungsanlage betrieben wird.

In ähnlichem Zusammenhang ist es auch bekannt, eine Konvertierungsanlage mit einem Syntheseverfahren ofenseitig und wärmetauscherseitig derart wechselweise zusammenzuschalten, daß das konvertierte Gas mit im wesentlichen der Reakt-ionstemperatur der Syntheseanlage zugeführt und andererseits die Reaktionswärme des Syntheseverfahrens in direktem oder indirektem Wärmetausch wieder an das zu konvertierende Gas übertragen wird. Es ist ferner schon vorgeschlagen worden, das Kreislaufwasser der Konvertierung durch Abwärme aufzuheizen, die aus Syntheseverfahren anfällt, welche sich mittel- oder unmittelbar an eine Konvertierungsanlage anschließen. Schließlich ist es bekannt, die aus exothermen Verfahren anfallende Abwärme in der Weise zu verwenden, daß ein Teil der anfallenden Abwärme zur Aufheizung der dem gleichen Verfahren zuzuführenden Reaktionsteilnehmer dient, während der andere Teil beliebiger anderer Abwärmeverwertung zugeführt wird.

Sehr wichtig für die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Wasserstoff für Hochdrucksynthesen sind die Kompressionskosten und die Dampfkosten für die Konvertierung. Man konvertiert hierbei vorteilhaft unter Druck, was gegenüber der sogenannten Niederdruckkonvertierung den Vorzug hat, daß man anschließend zur Entfernung des die Synthese störenden Kohlendioxyds eine Druckwasserwäsche anordnen kann. Bei der Niederdruckkonvertierung muß dagegen das Kontaktgas erst auf den Druck gebracht werden, unter dem die Wasserwäsche arbeitet.

Die Druckkonvertierung benötigt allerdings teuren Dampf zur Deckung der für die Konvertierung erforderlichen Zusatzwärme, dessen Druck höher ist als der, mit dem die Konvertierung betrieben wird. Wenn für die Aufheizung des Kreislaufwassers der Konvertierung aus der mittel- oder unmittelbar verbundenen Syntheseanlage Abwärme geringeren Temperaturniveaus anfällt, bedarf es einer besonderen Schaltung bzw. Anordnung der Orte des Wärmetausches der aus der Synthese zuzuführenden Abwärme einerseits und der auszunutzenden Wärme des abziehenden Kontaktgases andererseits mit dem Kreislaufwasser, um die nach wärmewirtschaftlichen Gesichtspunkten beste Ausnutzung der dem Kreislaufwasser zuzuführenden Wärmemengen unterschiedlichen Temperaturniveaus zu erzielen.

Es wurde nun gefunden, daß man bei der Konvertierung unter Drucken von mehr als 2 at unter Verwendung von Wärmetauschern zur Aufheizung des Frischgases durch konvertiertes Gas und unter Benutzung von im Kreislauf geführtem Wasser als Wärmeträger zwischen Kontaktgas und Frischgas sowie Zuführung der bei der Weiterverarbeitung der Kontaktgase in Drucksynthesen anfallende überschüssige Reaktionswärme an das Kreislaufwasser dann zu einer besonders günstigen Bilanz des Wärmebedarfs kommt, wenn dem Kreislaufwasser die aus einer anschließenden Drucksynthese der Kontaktgase anfallende Zusatzwärme über einen Wärmetauscher zugeführt wird, der in Kreislaufrichtung des Wassers dem Ort des weiteren Wärmetausches mit dem abziehenden Kontaktgas in einem Röhrenkühler 6 vorgeschaltet ist, und wenn dieser Röhrenkühler 6 dem dem Wärmetausch des Kontaktgases mit dem Frischgas von höherem Temperaturniveau dienenden Wärmetauscher 3 gasseitig nachgeschaltet ist.

Diese Maßnahme hat große Vorteile für die Konvertierung selbst, da es erst hierdurch möglich wird. Wärme von höherem Niveau zuzuführen, so daß das Frischgas entsprechend höher mit Wasserdampf gesättigt werden kann. Hierdurch werden überraschenderweise erhebliche Energiemengen zur Erzeugung von Wasserdampf eingespart. Als Wärmequellen stehen beispielsweise Syntheseanlagen für die Ammoniakerzeugung, die Methanolerzeugung, die Erzeugung anderer Syntheseprodukte, z. B. höherer Alkohole oder Kohlenwasserstoffe, aus Kohlenoxyd und Wasserstoff oder die Druckhydrierung von Kohlen, Teeren und Mineralölen oder deren Fraktionen u. dgl. zur Verfügung.

Je nach dem Druck, mit dem die Konvertierung betrieben wird, und der Menge der benötigten Zusatzwärme, die vom Gesamtdampfbedarf der Konvertierung abhängt, ist die Temperatur, mit der das Kreislaufwasser zur Wärmequelle geführt wird, verschieden. Hiernach richtet es sich auch, wie man die Wärme der Reaktionen der obenerwähnten Art zur Kreislauferhitzung heranzieht. Vorteilhaft wird bei den Drucksynthesen die Wärme der aus der Synthese kommenden Reaktionsstoffe zum Teil zur Aufheizung der zur Synthese strömenden Reaktionsstoffe und zum Teil zur Erhitzung des Kreislaufwassers benutzt.

Ist die Temperatur des aus der Konvertierung kommenden Kreislaufwassers niedrig, so kann man die aus dem Wärmetauscher, der die zur Synthese hinströmenden Reaktionsstoffe aufheizt, kommenden Reaktionserzeugnisse in Wärmetausch mit dem Kreislaufwasser der Konvertierung bringen. Ist die Temperatur des Kreislaufwassers höher, so ist es zweckmäßig, einen Teilstrom der aus der Synthese

kommenden Reaktionsstoffe entweder vor dem Wärmetauscher oder aus dem Wärmetauscher zur Wasserbeheizung abzuzweigen, damit die notwendige Temperaturdifferenz zwischen den Reaktionsstoffen und dem Kreislaufwasser vorhanden ist und eine möglichst große Wärmemenge zur Kreislaufwasserbeheizung gewonnen wird. Zur Regelung des Teilstromes ist es vorteilhaft, das Regelorgan im Teilstrom hinter der Aufheizeinrichtung für das

ίο Kreislaufwasser anzuordnen.

In Abb. 2 ist schematisch eine solche Kreislaufwasserbeheizung in Verbindung mit einem Schachtofen der Ammoniaksynthese dargestellt. Der Temperaturverlauf der Ammoniakreaktion im Schachtofen 8 wird durch Einführung von Kaltgas geregelt. Die Menge des zur Synthese hinströmenden Gases ist infolge der nachträglichen Kaltgaszuführung geringer als die des aus ihr abgeführten Gases. Es kann deshalb der obenerwähnte Teilstrom zur Kreislaufwasserbeheizung abgezweigt werden.

Das zur Synthese fließende Gas tritt bei 9 in den Ammoniakofen 8 ein, umströmt die Rohre der Wärmetauscher 10 und ir, die durch den Sammelraum 12 miteinander verbunden sind, gelangt über die Katalysatörschichten 13, 14 und 15 wieder zu den Wärmetauschern zurück und fließt jetzt durch die Rohre zum Ausgang 16. Ein Teilstrom des Gases wird aus dem Sammelraum 12 abgezweigt, bei 17 aus dem Ofen heraus zum Kühler 18 geleitet, in dem er einen Teil seiner fühlbaren Wärme an das Kreislaufwasser der Konvertierung abgibt.

Zusammen mit dem übrigen Gas, das den Ofen

bei 16 verläßt, wird die weitere Kühlung im Kühler 19, der die zur Synthese strömenden Gase aufheizt, durchgeführt. Die Einstallung der Teilstrommenge erfolgt durch das Regelventil 20, das im Teilstrom der Reaktionsgase hinter dem Kühler 18 angeordnet ist.

Im folgenden sei an Hand eines weiteren Beispiels beschrieben, wie man die Temperatur des aus der Konvertierung fließenden Kreislaufwassers erniedrigen kann, damit eine möglichst große Wärmemenge von der fremden Wärmequelle an das Kreislaufwasser abgegeben wird.

Eine Konvertierung, die nach Abb. 1 arbeitet, ergibt z. B. eine Gasvolumenvermehrung von ι : 1,445, wobei ein Frischgasdruck von 28 at, ein Kontaktgasdruck von 26 at und ein Gesamtdampfbedarf für Umsetzung und Einstellung des Wassergasgleichgewichtes von 1,018 kg je Nm³ Frischgas herrscht. Der Zusatzdampfbedarf beträgt 0,289 kg je Nm³ Frischgas bei 725 kcal je kg Dampf. Vom Rieselkühler 7 strömt 6,522 kg Wasser je Nm³ Frischgas ab mit einer Temperatur von 176,8° C.

Im Röhrenkühler 6 wird das Kreislaufwasser auf 2oo° C aufgeheizt. Anschließend wird der Frischdampf zugegeben.

Ersetzt man nun erfmdungsgemäß den Frischdampf durch überschüssige Reaktionswärme in der oben beschriebenen Art, z. B. solche aus einer Ammoniaksyntheseanlage, so kann man durch das Teilstromverfahren diese überschüssige Wärme für die Druckkonvertierung gewinnen, da die den Wärmetauscher des Ammoniakofens verlassenden Reaktionsstoffe eine zwischen 160 und 220⁰ C liegende Temperatur haben. Zweigt man nun aus dem Wärmetauscher bei 300° C einen Teilstrom ab und kühlt ihn bis auf eine Temperatur, die um 15° C über der Temperatur des mit 200⁰ C aus der Konvertierung vom Röhrenkühler kommenden Kreislaufwassers liegt, so wird der Teilstrom der Reaktionsgase von 300 auf 215⁰ C abgekühlt.

Sehr günstig wirkt sich nun die Gewinnung der überschüssigen Reaktionswärme der Synthesen dadurch aus, daß das Kreislaufwasser nach dem Rieselkühler, im Beispiel also mit 176,8° C, zunächst zur Wärmequelle und dann erst zum Röhrenkühler fließt. Durch diese Maßnahme kann man den Teilstrom von 300° C auf 192⁰ C abkühlen, \vobei man 27% mehr Wärme gewinnt.

Ohne das Teil strom verfahr en kommt man aus, wenn der Druck, mit dem die Konvertierung betrieben wird, und der Gesamtdampf verbrauch geringer sind, z. B. bei einer Konvertierung bis zu 13 at und einem Gesamtdampfbedarf bis zu 0,800 kg je Nm³.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Betrieb von Konvertierungsanlagen unter Drücken von mehr als 2 at unter Verwendung von Wärmetauschern zur Aufheizung des Frischgases durch konvertiertes Gas und unter Benutzung von im Kreislauf geführtem Wasser als Wärmeträger zwischen Kontaktgas und Frischgas, wobei dieses Kreislaufwasser bei der Weiterverarbeitung der Kontaktgase in Drucksynthesen anfallende überschüssige Reaktionswärme als notwendige Zusatzwärme aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kreislaufwasser die aus einer anschließenden Drucksyntbese des Kontaktgases anfallende Zusatzwärme über einen Wärmetauscher (18) zugeführt wird, der dem Ort eines weiteren Wärmetauschers mit dem abziehenden Kontaktgas in Kreislaufrichtung des Wassers vorgeschaltet ist, und daß der den letztgenannten Wärmetausch bewirkende Röhrenkühler (6) dem dem Wärmetausch des Kontaktgases mit dem Frischgas von höherem Temperaturniveau dienenden Wärmetauscher (3) gasseitig nachgeschaltet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Verwendung der Kontaktgase in Drucksynthesen anfallende Wärme dem Kreislaufwasser der Konvertierung nur teilweise zugeführt wird, während der andere Teil zur Aufheizung der zur Synthese strömenden Reaktionsstoffe dient, wobei der zur Aufheizung des Kreislauf wassers dienende Teilstrom vor, zwischen oder nach den beiden zur Aufheizung der zur Synthese strömenden Reaktionsstoffe dienenden Wärmetauschern (10, 11) abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Temperatür des aus der Drucksynthese herausgeführten

Teilstromes durch ein im Strom der Reaktionsgase hinter dem zur Aufheizung des Kreislaufwassers dienenden Kühler (i8) angeordnetes Regelorgan erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldungen U5ooIVb/i2g (bekanntgemacht am 21.6. 1951), Sch 5227 IVd/ (bekanntgemacht am 13. 12. 1951);

französische Patentschrift Nr. 672 288;

Auszüge Deutseiher Patentanmeldungen, Bd. II, Chemie, S. 248, B 194396;

Chemisches Zentralblatt, 1935, I, S. 1431, letzter Absatz, und S. 1432, erster Absatz.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsche Patente Nr. 874 297, 879 384, 892 745, 044.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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