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Publication number: DEM0014992MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 1. August 1952 Bekanntgemacht am 2. Februar 1956Registration date: August 1, 1952. Advertised on February 2, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

Es ist bekannt, daß es, um eine "hohe Ausbeute bei exothermen Hoehdrucksynthesen zu erzielen, notwendig ist, die durch die Reaktion gebildete' Wärme sogleich abzuführen, und zwar derart, daß sich die Temperatur des Katalysators innerhalb wohlbestimmter Grenzen hält. Wenn die Reaktionswärme nicht abgeführt wird, so erhöht sich die Temperatur des Gasgemisches und setzt die Reaktioflti'saus'beute herab. Ferner bietet bei einigenIt is known to have a "high yield." to achieve in exothermic high pressure syntheses, it is necessary, the 'formed by the reaction Dissipate heat immediately, in such a way that the temperature of the catalyst within well-defined limits. If the heat of reaction is not dissipated, it increases Temperature of the gas mixture and sets the reactivity yield down. It also offers some

ίο Reaktionen, z. B. bei der Methanolsynthese aus Wasserstoff und Kohlenoxyd, ein zu starker Temperaturanstieg des Katalysators nicht nur den Nachteil, die Ausbeute an Reäktionsprodukt herabzusetzen, sondern auch den, die Reaktion auf die Entstehung unerwünschter' Nebenprodukte, wie Methan und Kohlendioxyd, hin zu begünstigen. Da diese Reaktionen stärker exotherm sind als die zur Bildung von Methanol führende, so ergibt sich daraus eine Temperaturerhöhung, welche die Nelbenreaiktionen beschleunigt und die Katalysatormasse sowie auch den Katalyseofen schädigt.ίο reactions, e.g. B. in the methanol synthesis Hydrogen and carbon oxide, too much temperature rise of the catalyst not only that Disadvantage to reduce the yield of reaction product, but also to reduce the reaction to the To favor the formation of undesirable by-products, such as methane and carbon dioxide. Since these reactions are more exothermic than those leading to the formation of methanol, this results from this an increase in temperature, which accelerates the nuclear reactions, and the catalyst mass as well as damaging the catalytic furnace.

Um bei exothermen Drucksynthesen die Reaktionswärme albzuführen, wurden bereits zahlreiche Arten von Wärmeaustauschern vorgeschlagen, dieIn order to carry out the heat of reaction in exothermic pressure syntheses, numerous have already been made Types of heat exchangers proposed that

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in der Katalysatormasse angeordnet sind, durch welche die kalten, zur Reaktion bestimmten Gase, ziehen. Mit solchen Anordnungen jedoch ist es schwierig, den gewünschten Temperaturgradienten . zu erzielen; ferner geht die durch die Reaktion ent-. wickelte Wärme verloren und wird durch die Kühler am Ausgang der Syntheseöfen abgeführt. Eine bekannte Methode zum Abführen der Reaktionswärme unter Benutzung derselben zur Herstellung von Dampf besteht darin, daß die Katalysatormasse in verschiedene Schichten unterteilt wird und in die Zwischenräume StahlrohrscMangen eingesetzt werden, durch welche Wasser gepumpt wird. Durch sinngemäßes Regeln der Wassereinspritzung in die verschiedenen Rohrschlangen ist es möglich, die Temperatur in den erforderlichen Grenzen zu halten, um eine hohe' Umsetzungsaus-,beute zu erzielen. Der Bau der Rohrschlangen, die bestimmt sind, im Innern von Synthesekolonnen bei einem Druck von mehreren Hunderten Atmosphären und 'bei Temperaturen zu arbeiten, die 6oo° erreichen können, bietet große Schwierigkeiten. Bei diesen Temperaturen verringert sich die mechanische Festigkeit der Stähle beträchtlich; selbst wenn man hochlegierte Ohr.omnickelsta.hle. verwendet, müßte man übertrieben dicke Rohre einsetzen; daher wird der Bau solcher Apparaturen praktisch unmöglich, wenn der Betriebsdruck 250 bis 300 Atm. übersteigt.are arranged in the catalyst mass, through which the cold gases intended for reaction, draw. With such arrangements, however, it is difficult to achieve the desired temperature gradient . to achieve; furthermore, it goes through the reaction. wrapped heat is lost and is lost through the Cooler discharged at the exit of the synthesis furnace. A known method of removing the heat of reaction using the same to produce steam is that the catalyst mass is subdivided into different layers and tubular steel rods into the spaces can be used, through which water is pumped. By regulating the water injection accordingly in the various coils it is possible to adjust the temperature in the required To keep limits in order to achieve a high implementation yield. The construction of the pipe coils that inside synthesis columns at a pressure of several hundred atmospheres and 'to work at temperatures as high as 600 ° presents great difficulties. At these temperatures the mechanical strength of the steels is considerably reduced; even if you steel high-alloy ear nickel-plated steels. used, one would have to have excessively thick pipes deploy; therefore the construction of such apparatus becomes practically impossible when the operating pressure is 250 up to 300 atm. exceeds.

Vorliegende Erfindung zeigt eine konstruktive Lösung, um die obenerwähnten Schwierigkeiten zu überwinden, indem sie gestattet, die Wandstärke, der Rohre, in denen das zur Abfuhr der Reaktionswärme bestimmte Wasser umläuft, auf ein Minimum herabzusetzen, selbst wenn das Verfahren bei Drücken über 1000 Atm. durchgeführt wird. Die Erfindung -besteht darin, daß der Syntihesekreislauf mit dem Kreislauf des zur Abfuhr der Reaktionswärme bestimmten Wassers derart in Verbindung gesetzt wird, daß praktisch in beiden derselbe Druck herrscht. Diese Verbindung wird mittels eines sinngemäß gekühlten Sammelbehälters in solcher Weise hergestellt, daß dem Wasserdampf ein Eindringen in den Syntheseraum verwehrt ist.The present invention shows a constructive solution to the difficulties mentioned above to be overcome by allowing the wall thickness of the tubes in which to dissipate the heat of reaction certain water circulating to minimize, even when the procedure occurs Pressures over 1000 atm. is carried out. The invention consists in the fact that the synthesis cycle with the circuit of the water intended to dissipate the heat of reaction in this way it is assumed that practically the same pressure prevails in both. This connection is made using a correspondingly cooled collecting container produced in such a way that the water vapor penetration into the synthesis room is prevented.

Die beigefügte Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf die Ammoniaksynthese. Das von der Umlaufpumpe G kommende Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch zieht durch den Wärmeaustauscher D, der im Unterteil der hochdruckfesten Säulen! angeordnet ist, folgt dann dem durch Pfeile angedeuteten Weg und gelangt von oben in die Katalysekammer bei einer zum Einleiten der Reaktion hinreichenden Temperatur, nämlich bei etwa 400⁰. Die Katalysator- masse ist in verschiedene von geeigneten Rosten getragene Schichten unterteilt. Durch die Reaktion steigt die Temperatur schnell über 500°. Beim Ausgang der ersten Katalysatorschicht B₁ kommt das Gas mit einer Kühlvorrichtung C₁ inBerührung, die aus Stahlrohrscihlangen besteht, und wird auf 450⁰ heruntergekühlt. Die Pumpe O sichert den Wasserumlauf in der Rohrschlange C₁, und mittels Schiebers H₁ wird die Durchflußmenge des Wassers der Menge der' durch die Reaktion entwickelten / Wärme angepaßt. Sinngemäß wird die Temperatur des Gases in den nachfolgenden Schichten der Katalysatormasse geregelt, derart, daß derjenige thermische Gradient erzielt \vird, der einer hohen Ausbeute an Reaktionsprodukt am günstigsten ist. Die katalysierten Gase werden, nachdem sie ihre Wärme im Austauscher abgegeben haben, im Kühler E gekühlt; das kondensierte Ammoniak scheidet im Behälter F aus und wird durch den Schieber T albgelassen, während die Gase, die nicht' reagiert haben, mittel« Pumpe G in die Synthesekolonne A zurückgeführt werden.The accompanying drawing shows an embodiment of the invention applied to ammonia synthesis. The nitrogen-hydrogen mixture coming from the circulation pump G pulls through the heat exchanger D, which is located in the lower part of the high-pressure-resistant columns! is arranged, then follows the path indicated by arrows and enters the catalysis chamber from above at a temperature sufficient to initiate the reaction, namely at around 400 ^° . The catalyst mass is divided into various layers supported by suitable grates. As a result of the reaction, the temperature rises quickly above 500 °. At the output of the first catalyst layer B _1, the gas contacts a cooler C ₁ inBerührung consisting of Stahlrohrscihlangen, and is cooled down to 450 ^0th The pump O ensures the water circulation in the pipe coil C ₁ , and by means of the slide H ₁ the flow rate of the water is adapted to the amount of heat developed by the reaction. The temperature of the gas in the subsequent layers of the catalyst mass is regulated accordingly in such a way that that thermal gradient is achieved which is most favorable to a high yield of reaction product. After they have given up their heat in the exchanger, the catalysed gases are cooled in the cooler E; the condensed ammonia coming off in the container F and albgelassen by the slider T, while the gases which have not reacted, "medium" pump G are returned to the synthesis column A.

Der in den Rohrschlangen C₁, C₂ und C₃ unter Hochdruck erzeugte Dampf wird in den Dampfumspänner / gesandt, wo Dampf bei niedrigerem Druck erzeugt wird, und das Kondenswasser wird im geschlossenen Kreislauf benutzt, um Verkrustungen im Innern der Rohre zu vermeiden. Die Wasserumlaufpumpe O wird von einem vertikalachsigen Elektromotor N angetrieben, der im selben Behälter V untergebracht ist, der das . Kondenswasser aufsammelt. Auf diese Weise erübrigt sich eine Hochdruckstopfbüchsendichtung.The steam generated under high pressure in the pipe coils C ₁ , C ₂ and C ₃ is sent to the steam circulator /, where steam is generated at a lower pressure, and the condensed water is used in a closed circuit to avoid encrustations inside the pipes. The water circulation pump O is driven by a vertical-axis electric motor N , which is housed in the same container V that the. Collects condensation. This eliminates the need for a high pressure stuffing box seal.

Der Motor ist vom darunter befindlichen Sammler durch zwei wärmeisolierende Trennwände getrennt, und in dem zwischen diesen entstandenen Raum ist go ein Kühler P angeordnet. Dieser Raum steht durch das Rohr Q mit dem Syntheseraum in Verbindung.The engine is separated from the collector below by two heat-insulating partitions, and a cooler P is arranged in the space created between them. This space is connected to the synthesis space through the pipe Q.

Bei dieser Anordnung bleibt der Druck des Wassers im Innern der Rohrschlangen C₁, C₂, C₃ praktisch gleich dem in der Katalysekammer herrsehenden Druck, so daß es möglich ist, eine übermäßige Beanspruchung der Rohrwandungein zu vermeiden, auch wenn bei sehr höhen Synthesedrücken gearbeitet wird. Ferner gestattet die Möglichkeit, dünnwandige Rohre zu verwenden, den von den Rohrschlangen in Anspruch genommenen Raum zu verringern und damit beträchtliche Kosten für die Katalysekammer zu sparen. Der aus dem im Behälter V enthaltenen Heißwasser entweichende Dampf verdichtet sich in Berührung mit dem Kühler P, und das Wasser kehrt durch das Rohr R in den darunter befindlichen Sammler zurück.With this arrangement, the pressure of the water inside the pipe coils C ₁ , C ₂ , C ₃ remains practically the same as the pressure prevailing in the catalytic chamber, so that it is possible to avoid excessive stress on the pipe walls, even when working at very high synthesis pressures will. Furthermore, the possibility of using thin-walled tubes allows the space taken up by the tube coils to be reduced and thus to save considerable costs for the catalytic chamber. The steam escaping from the hot water contained in the container V condenses in contact with the cooler P, and the water returns through the pipe R to the collector located below.

Die Kühlung des Motors N kann leicht dadurch erfolgen, daß im Behälter V ein Teil der zur Synthese bestimmten Gase in Umlauf gebracht wird, no die über die Abzweigung 5" aus dem Rohr M kommen.The motor N can easily be cooled by circulating some of the gases intended for synthesis in the container V which come from the pipe M via the branch 5 ″.

Claims

PATENT CLAIMS: _xl g

ι. Process for carrying out exothermic catalytic gas reactions under high pressure and dissipation of the heat of reaction through heat exchangers arranged in the reaction furnace through which cooling liquid flows, characterized in that the circuit of the compressed synthesis gases with the circuit of the cooling liquid via a condensate container (V), which in its upper part has a Contains cooling coil (P) and to which a steam

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Umspanner (/) is connected upstream by one above the liquid level of the condensate branched pressure equalization line (Q) is in communication.

2. The method according to claim i, characterized in that- the cooling liquid or its vapor on the way from the heat exchangers arranged in the synthesis room (C ₁ , C ₂ , C ₃ ) to the collecting container (V) cooled or respectively by heat exchange to generate low-pressure steam .Condensed and that the circulation pump (O) for the cooling liquid and the pump drive motor (N) are arranged in the collecting container.

Referred publications:
USA. Patent Papers No. 2446925, 2539415: Italian Patent No. 381 315;
D am e nk oh 1 er, Chemie - Ingenieur - Technik, Vol. III, Part 5, 1940, p. 85; '

Pat. Applications in the Field of Fischer Tropsoh and allied Reactions, Vol. 11, 1948, pp. 71-73; Uli mann, encyclopedia of technical chemistry,

3rd ed., Vol. I, pp. 905, 910.

1 sheet of drawings