EP4003590A1 - Process for producing catalysts for ammonia synthesis by reducing iron oxides - Google Patents

Process for producing catalysts for ammonia synthesis by reducing iron oxides

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Publication number
EP4003590A1
EP4003590A1 EP20739923.9A EP20739923A EP4003590A1 EP 4003590 A1 EP4003590 A1 EP 4003590A1 EP 20739923 A EP20739923 A EP 20739923A EP 4003590 A1 EP4003590 A1 EP 4003590A1
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EP
European Patent Office
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water
reduction
ppmv
concentration
ammonia
Prior art date
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Pending
Application number
EP20739923.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rene Eckert
Stephan J. REITMEIER
Stefan Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Clariant International Ltd
Original Assignee
Clariant International Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4003590A1 publication Critical patent/EP4003590A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16Reducing
    • B01J37/18Reducing with gases containing free hydrogen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74Iron group metals
    • B01J23/745Iron
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08Heat treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01CAMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
    • C01C1/00Ammonia; Compounds thereof
    • C01C1/02Preparation, purification or separation of ammonia
    • C01C1/04Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
    • C01C1/0405Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase from N2 and H2 in presence of a catalyst
    • C01C1/0411Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase from N2 and H2 in presence of a catalyst characterised by the catalyst
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Definitions

  • iron oxides are usually reduced in reactors using reducing gases.
  • a catalytically very active form of elemental iron is formed, in particular a form of body-centered cubic alpha iron.
  • Such reduced iron catalysts are particularly good as
  • Catalysts for the ammonia synthesis, especially the Haber-Bosch synthesis are used.
  • the concentration of the water formed is determined at regular intervals using the Ascarit method.
  • the water content is determined by the fact that a defined amount of sample gas flows through an adsorbent, the adsorbent only adsorbing the water in the sample gas. The difference in weight of the adsorbent is then determined and the amount of water calculated using the measured volume flow.
  • Such a method is very time-consuming and only provides information about the water content of the sample with a certain delay.
  • the object of the present invention is to provide a method for activating catalysts and catalyst precursors for ammonia synthesis which is improved with regard to the above-mentioned disadvantages. Furthermore, the use of an NDIR detector to determine the concentration of water during the reduction of iron oxides is described.
  • the present invention relates to a process for the activation of catalysts and catalyst precursors for ammonia synthesis, comprising the process steps:
  • the concentration of the water formed during the reduction in the gas phase is measured by means of non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR), and (C) the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate are adjusted as a function of the concentration of the water formed.
  • NDIR non-dispersive infrared spectroscopy
  • NDIR non-dispersive infrared spectroscopy
  • Spectrometric analysis of gases to be measured in which infrared radiation of a defined wavelength is radiated into a sample. Depending on the concentration of the gas in the beam path, the IR beam is weakened by absorption. This creates pressure differences inside an opto-pneumatic receiver, an NDIR sensor, which can be converted into electrical voltage by microflow sensors, for example, and provides information about the amount of absorbing
  • the determination of the concentration of the water by means of NDIR is directly possible and does not require complex analyzes in contrast to the conventional methods, so that the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate can be set particularly easily depending on the concentration of the water in the reactor outlet gas, and so the generation of water concentrations harmful to the catalyst can be reduced during the reduction.
  • the iron oxides can be prepared.
  • Catalysts are produced or activated, and these are used directly after the activation for ammonia synthesis from synthesis gas, for example comprising a mixture of nitrogen and hydrogen. It is also possible, by means of the process according to the invention, to produce pre-reduced catalyst precursors which are first reduced under controlled conditions and then passivated in an oxidizing atmosphere before they are used as catalysts in the ammonia synthesis. These pre-reduced catalysts can be activated significantly faster and under milder conditions than the iron oxides.
  • the concentration of the water determined in method step (B) can be compared with a predetermined limit value for water.
  • a predetermined limit value for water This can be carried out, for example, in such a way that a range is defined around the limit value and the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate are set as a function of the measured water concentration so that the concentration increases Water is within the specified range around the limit value.
  • the water concentration can fluctuate around the limit value and therefore also be outside this range.
  • the water concentration can exceed the limit value by 200 ppmv (parts per million per volume) for a maximum of 1 hour or by 400 ppmv for a maximum of 20 minutes. As soon as the process is stable, the
  • Water concentrations are mainly within the range around the limit value.
  • Process step (C) carried out at least one of the following substeps:
  • the concentration of water is below the range around the specified limit value, or
  • Method step (B) determined concentration of water is within the range around the predetermined limit value.
  • the concentration of the water formed during the reduction of the iron oxides in the gas phase should advantageously not exceed a limit of 4000 ppmv, preferably 3400 ppmv, more preferably 3200 ppmv, even more preferably 3000 ppmv.
  • Reduced iron catalysts which were activated at higher concentrations of water in the gas phase, usually show lower activities in the subsequent ammonia synthesis. Activation of the iron oxides with a higher proportion of water in the gas phase thus leads to
  • Limit selected from a group of ranges consisting of: ⁇ 1000 ppmv, ⁇ 800 ppmv, ⁇ 600 ppmv, ⁇ 400 ppmv, ⁇ 300 ppmv, and ⁇ 200 ppmv.
  • the range is preferably ⁇ 300 ppmv, more preferably ⁇ 200 ppmv.
  • a limit value of 3000 ppmv and a range of ⁇ 600 ppmv are possible.
  • a limit value of 3000 ppmv and a range of ⁇ 200 ppmv are particularly preferred.
  • the heating rate can be very high at low temperatures in the reactor system and can be up to 40 K / h especially at the beginning of the reduction. Conversely, the heating rate during the reduction of the iron oxides, as long as the concentration of water in the
  • the periods of time with these small heating rates can be up to 48 hours, depending on the flow rate and the catalyst volume.
  • this can be carried out as a continuous process, process steps (A), (B) and (C) being carried out continuously. It is thus possible in particular to determine the concentration of the water formed during the reduction in process step (B) by means of NDIR during the reduction of the iron oxides in process step (A) and to determine the flow rate of the reducing gas and within a short period of time in process step (C) / or adjust the heating rate accordingly.
  • all process steps (A) to (C) can advantageously be carried out in parallel alongside one another or at the same time, which means a considerable time advantage compared to the conventional process in which the results of the Ascarit method must first be awaited.
  • the concentration of the water in process step (B) can be measured continuously by means of NDIR (two measured values per second), while with the Ascarit method, a measured value is usually only available every 1 to 2 hours. Furthermore, depending on the water concentration determined in process step (B), the
  • Sub-steps (C1), (C2) or (C3) can be carried out several times in succession as required.
  • the measurement of the water formed during the reduction in method step (B) takes place in real time. This makes it possible to react immediately to changes in the concentration of the water formed and to adjust the flow rate and / or the heating rate accordingly.
  • it is possible to react to a change in the amount of water formed in particular within a period of 1 to 10 minutes.
  • the water concentration can rise from 0 ppmv to values of up to 3000 ppmv in a period of 0.5 h to 2 h.
  • the water concentration can rise from 0 ppmv to values of up to 3000 ppmv in a period of 0.5 h to 2 h.
  • a mixture comprising hydrogen and nitrogen is advantageously used as the reducing gas in a process according to the invention in process step (A), it being possible for ammonia to be formed during the reduction of the catalysts due to partial activation of the catalysts.
  • the activation of the catalysts during the process can also be determined by the increasing content of ammonia formed in the gas phase.
  • the reducing gas can also contain noble gases such as argon.
  • noble gases such as argon.
  • all of the noble gases present in the air can be present in the reducing gas.
  • Process step (B) the concentration of the water formed during the reduction in a wavelength range from 2.6 ⁇ m to 3 gm, preferably in the range from 2.7 to 2.8 ⁇ m, more preferably in the range from 2.75 ⁇ m to 2.79 measured pm.
  • concentration of water is usually measured at wavelengths of about 6 pm, but in this wavelength range the interference with absorption bands of ammonia is particularly large. In order to reduce this overlap, measurements are therefore preferably made in the above-specified wavelength range from 2.6 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • an NDIR device for measuring the water formed, in which the absorption bands of ammonia are in the wavelength range from 2.6 pm to 3 pm, more preferably in the range from 2.75 pm to 2.79 pm are deducted by means of calibration.
  • calibration curves can be created for calibration by means of experimental data in which gas samples with approximately 0% by volume to 20% by volume of ammonia were measured by means of NDIR. These calibration curves allow the background signal of ammonia in the above given
  • ammonia can be formed in amounts of 0% by volume to 20% by volume, with the proportion of ammonia in the gas phase increasing as the reduction progresses.
  • concentration of the ammonia formed in the course of the reduction can also be determined particularly advantageously by means of NDIR.
  • Determination of the ammonia which can also be formed in the course of the reduction in the presence of nitrogen in the gas phase, can particularly advantageously provide information about the course of the activation of the catalysts or catalyst precursors.
  • the concentration of ammonia formed in the gas phase can be determined in a particularly simple manner, analogously to the determination of water in the gas phase by means of NDIR, which enables the values to be determined particularly quickly.
  • Ammonia can be determined particularly easily without a necessary correction of the values.
  • the reduction in process step (A) is carried out in a reactor which, via pipe feed lines for feeding in the reducing gas and pipe outlets for discharging a
  • Has gaseous reaction mixture from the reduction which contains, inter alia, the water formed in the reduction and any ammonia formed.
  • Pipe discharge lines have a sample line at the reactor outlet for taking a sample for the NDIR measurement.
  • the test line is advantageously thermally insulated and possibly also has an additional heating device that ensures that the
  • Temperature in the sample line does not decrease too much. A drop in temperature causes water to condense, which would falsify the measurement results obtained by NDIR. If the sample to be measured is taken directly at the reactor outlet, heat losses in the reactor outlet line do not yet play such a major role. in the
  • a sample of the gas phase to be analyzed can be taken particularly easily via the sample line and the concentration of water and / or the concentration of ammonia can be determined particularly reliably by means of NDIR.
  • a sample to be analyzed can be expanded to a pressure of about 0.01 to 2 barg (0.01 to 2 bar above normal pressure) and the water content and / or ammonia content can then be determined by means of NDIR.
  • the dew point of the sample gas is reduced from about 70 ° C to 80 ° C before the expansion to 0 ° C 10 ° C, preferably to about 10 ° C after relaxation, the temperature in the NDIR device usually being 40 ° C to 50 ° C.
  • the gas mixture to be measured may have a maximum temperature of 60 ° C, with the minimum temperature just above the
  • sample gas stream to be analyzed can also be filtered in order to prevent the NDIR detector from being contaminated.
  • the same flow rate is advantageously always set during the measurement in order to obtain better reproducible measurement results.
  • the flow rate during the NDIR measurement can in particular be in the range from 0.2 l / min to 1.5 l / min, preferably 1.5 l / min.
  • the temperature of the cooler can also be set so that it is at least 10 K, preferably at least 5 K, above the freezing point of the aqueous ammonia solution.
  • the temperature of the cooler can be set in such a way that disadvantageous freezing of the cooler is prevented, but on the other hand the temperature of the cooler is nevertheless lowered to such an extent that reliable condensation of water and / or ammonia or an aqueous
  • NDIR measurements of water and / or ammonia to be carried out can be the
  • Process parameters for the reduction for example the pressure, the temperature and the flow rate, are adapted to the respective measured concentrations of water and / or ammonia in the gas phase in order to enable reliable condensation.
  • the at least one reducing gas for example comprising a mixture of nitrogen and hydrogen, can be fed back into the reduction process in a particularly simple manner after the water and / or ammonia have been cut off. Since during the
  • a reactor system can be used in process step (A) which comprises a reactor for reducing the iron oxides, which
  • the Reactor system have a gas circuit in which the gaseous reaction mixture derived from the reactor is fed back to the reduction process via the pipe feed lines after separation of water and / or ammonia.
  • a reactor system can in particular be a reactor for ammonia synthesis, in which the catalyst is obtained from catalyst precursors by means of activation by reduction before being put into operation.
  • the reactor system can also be a reactor which was designed for reducing the catalysts and from which the catalyst precursors can be removed and transported away after the reduction and possible passivation has taken place.
  • magnetite or wustite or a combination thereof can be used as iron oxides in process step (A).
  • Magnetite is a mixed iron oxide with the general chemical composition Fe 3 Ü 4 and contains divalent and
  • the temperature during the reduction can be set to a range from 360 ° C. to 450 ° C., preferably a range from 370 ° C. to 400 ° C. (for wustite). At these temperatures, a reduction of
  • Iron oxides for example wustite or magnetite, can be carried out.
  • process step (C) the flow rate (gas hourly space velocity; ghs ⁇ / ') in particular to values from 1000 h 1 to 70,000 h 1 , preferably from 3000 h 1 to 60,000 h 1 .
  • the pressures in process step (A) can be set to values of 60 bar to 600 bar, preferably 60 bar to 300 bar, more preferably 60 bar to 180 bar, further preferably 80 bar to 150 bar. At the beginning, the pressures are around 80 bar, while at
  • the reduction can in particular be carried out in a system which has a heating device for heating the at least one reducing gas.
  • the heating device can either be present in the reactor or outside the reactor, as shown in FIG. 1.
  • the heating device can, for example, also be a heat exchanger in which heat is transferred from the reactor space to the reducing gas to be newly added.
  • a heating device is necessary in particular at the beginning of the method according to the invention in order to achieve the temperatures necessary for the reduction.
  • process step (A) in process step (A), the proportion of the heating device in the total heat balance can decrease and the proportion of the heat of reaction from the formation of ammonia can increase, with the result that the flow rate can be increased.
  • the catalysts and / or catalyst precursors are in a process step (D) from the
  • Process step (C) exposed to an oxidizing gas to form a protective layer on the catalysts and / or catalyst precursors a gas mixture comprising oxygen or air can be used as the oxidizing gas. It is particularly advantageous if the composition of the gas is changed after the reduction is complete and, for example, an oxidizing gas comprising nitrogen and air is supplied so that a passivation layer is formed on the reduced catalysts by means of oxidation. Before starting up a reactor for ammonia synthesis, these catalyst precursors can be subjected to a short reduction step in a particularly simple manner and then used as catalysts for ammonia synthesis.
  • the present invention also relates to the use of an NDIR detector to determine the concentration of the water that is during the reduction of
  • the concentration of the water can be determined in real time.
  • the reduction can take place by means of a reducing gas, and the flow rate and / or the heating rate of the reducing gas in
  • FIGS. 2 and 3 flow diagrams for the determination of water and ammonia by means of NDIR and the subsequent process steps for controlling the method
  • Figures 4 and 5 show the effects of water content in reducing the
  • FIG. 6 shows a diagram of the measurement of the water content during the reduction of iron oxides by means of NDIR.
  • FIG. 1 shows schematically a reactor system for carrying out a method according to the invention.
  • a reactor 10 is provided which has several catalyst beds 10A.
  • the iron oxides to be reduced are located in the catalyst beds 10A.
  • the reactor 10 has a pipe system 60 with pipe feed lines 60A, via which the at least one reducing gas is fed into the reactor, and pipe outlets 60B via which the gaseous reaction mixture of the reduction is discharged from the reactor so that the gas in the reactor Can circulate.
  • the direction of the arrows indicates the
  • the at least one reducing gas can be heated by means of a heating device 50.
  • a heating device 50 There is also an NDIR sensor 5, which measures the water content and / or the ammonia content of the reaction gases at the pipe outlet 60B
  • the pipeline 6 can have a thermal insulation or a heating device, which can serve to keep the temperature of the gas mixture to be analyzed high enough to avoid condensation of the water and thus falsification of the NDIR measurement result.
  • the pressure in the pipe outlet 6 is gradually reduced to 1 to 2 barg and then to 0.01 to 0.5 barg for the NDIR measurement.
  • the at least one reducing gas which preferably comprises hydrogen and nitrogen, can be compressed by means of a compressor 25 via a gas supply line 60C and then introduced into the interior of the reactor 10 via a pipe supply line 60A.
  • the gas mixture can be brought to the required temperature, for example up to 450 ° C., preferably to 370 ° C. to 390 ° C., via the heating device 50, and then passed through the catalyst beds 10A.
  • Control fittings 15 are provided throughout the system to adjust the gas flow.
  • the size of the catalyst beds 10A increases the further downstream the catalyst beds are arranged in the reactor 10. During the reduction, that resulting from the reduction becomes
  • the water and / or ammonia content of this gas mixture is then determined by means of the NDIR sensor 5, which is connected at the reactor outlet via a pipe 6 to the pipe line 60B.
  • the gas mixture resulting from the reduction can then at least partially release the heat that is still present via a heat exchanger 40.
  • the gas mixture is then passed into a waste heat boiler 20, in which it gives off further heat to water, which is passed through the waste heat boiler. This water is introduced into the waste heat boiler 20 by means of a connection 21 and as water vapor from the
  • Waste heat boiler discharged via connection 22 The steam can be used, for example, to increase the energy efficiency and thermal efficiency of the entire system for operating the compressors by means of steam turbines.
  • the gas mixture can then give off further heat via further heat exchangers 40 or via ammonia coolers 40A, so that a mixture of ammonia and / or water can then be separated in separator 30.
  • the separated water / ammonia mixture can then be removed from the system via the discharge line 30A.
  • the reducing gas mixture containing hydrogen and nitrogen can then be used again
  • Compressor 25 are fed to in a further cycle to reduce the
  • the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate can be set accordingly, so that the
  • the concentration of the water formed is within a range around a certain limit value.
  • the temperature in the separator 30 can also be adjusted by means of the NDIR sensor 5 so that ammonia does not freeze out, which would impair the operation of the separator.
  • FIG. 2 shows a flow diagram for the processes and partial steps that follow after the water determination by means of an NDIR sensor.
  • the limit value for the concentration of water in the gas phase can be, for example, 3000 ppmv and the range around the limit value can be ⁇ 200 ppmv.
  • the water content determined by means of NDIR is first read off on the analyzer of the reactor system and the value is compared with the limit value.
  • the flow rate is increased or the meat rate is decreased (82A) in a method step (C2).
  • the concentration of the water formed in the gas phase can either be reduced by setting a higher flow rate, which leads to a more rapid dilution of the water concentration in the gas phase, or the reduction is lowered by lowering the meat rate. If it is determined that the measured value is more than 200 ppmv below the limit value, the
  • reducing gas contains nitrogen and hydrogen via the ammonia concentration takes place in the gas phase.
  • temperature sensors can be present at the inlet and outlet of the catalyst beds. The reduction of a catalyst bed can be regarded as complete when the ammonia concentration does not increase further at constant pressure and temperature. If it is found that the reduction in
  • the meat rate can then be increased in a process step (C1) (83B). If it is found that the concentration of water in the gas phase is within a range of ⁇ 200 ppmv around the limit value, the flow rate and / or the meat rate can be maintained in a partial step (C3) (82C).
  • the inlet temperature of the subsequent bed can be increased by closing a valve in order to start the reduction of the next catalyst bed (85).
  • the meat rate can be adjusted by adjusting the control valve.
  • FIG. 3 shows in a flow diagram the processes and partial steps occurring after the determination of the ammonia.
  • the concentration is activated in a first step (90)
  • Ammonia is determined in the gas phase and then depending on the process parameters such as pressure, water content in the gas phase and temperature, the freezing point of the aqueous ammonia solution present is calculated (91).
  • the temperature of the cooling device is then compared with the calculated freezing point of the aqueous ammonia solution (92) and various partial steps are carried out depending on the result.
  • the partial method steps can in particular be a method step (C4) in which the temperature of the cooling device is increased if the temperature of the cooling device is less than 5 K above the calculated freezing point of the aqueous ammonia solution (92B).
  • a method step (C5) There is also the possibility of further lowering the temperature of the cooling device in a method step (C5) if the
  • the cooler temperature is more than 10 K above the calculated freezing point of the aqueous ammonia solution. It is first determined whether the system allows the temperature of the cooler to be lowered further (92C). Many systems do not allow the temperature to drop any further, especially when the cooler temperature is already at -20 ° C
  • cooler temperature is then reduced further (92D) or the operating parameters are changed
  • Figure 4 shows in a diagram the experimentally determined temperature profile and the experimentally determined water content in volume% in the gas phase with a reduction of iron oxides with a synthesis gas that contains 76.5% hydrogen, 22.5% nitrogen and 10% argon (each volume% ) contains.
  • the iron oxides were reduced for different times at different flow rates of the synthesis gas, whereby by increasing the
  • the curve designated here shows the course of the water content as a function of the temperature with a reduction over 25 hours and a flow rate of 250 l / h.
  • the curve labeled 101 shows the course of the water concentration in the gas phase with a 30-hour reduction with a flow rate of 400 l / h.
  • the water concentration for a 30-hour reduction with a flow rate of 400 l / h is characterized by the curve labeled 102.
  • a further reduction over a period of 40 hours with a flow rate of 1200 l / h was also carried out (curve labeled 103). It can be clearly seen that with increasing flow rate the The concentration of the water decreases due to the dilution effect caused by newly emerging gas, but on the other hand the period of time required for the reduction increases.
  • FIG. 5 shows the experimentally determined catalytic activity of six different catalysts based on Wustite, which differ during the reduction
  • FIG. 6 shows the course of the water concentration (curve labeled 110) in the gas phase at the reactor outlet in ppmv and the temperature curve (curve labeled 120) over a certain period t.
  • the water concentration was measured by means of an NDIR sensor.
  • Reduction rate increases, which leads to a higher water content at the reactor outlet. Finally, a maximum of the water content is reached, the water content then decreasing again at the reactor outlet due to the decreasing reduction rate.
  • Gas phase of more than 3000 ppmv or more than 3500 ppmv can be measured. Such high water contents can be effectively prevented by a method according to the invention for activating iron oxides.

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Abstract

The invention relates to a process for activating catalysts and catalyst precursors for ammonia synthesis, comprising the following process steps: (A) iron oxides are reduced to activate the catalysts by means of at least one reductive gas and by heating, (B) the concentration of the water formed in the gas phase during the reduction is measured by means of non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR), and (C) the flow rate of the reductive gas and/or the heating rate is set in accordance with the concentration of the water that is formed.

Description

Verfahren zur Herstellung von Katalysatoren zur Ammoniaksynthese durch Process for the production of catalysts for the synthesis of ammonia
Reduktion von Eisenoxiden Reduction of iron oxides
Beschreibung description
Bei der Herstellung von Katalysatoren bzw. Katalysatorvorgängern auf der Basis von Eisenoxiden zur Ammoniaksynthese werden die Eisenoxide in der Regel in Reaktoren unter Verwendung von reduzierenden Gasen reduziert. Dabei bildet sich eine katalytisch sehr aktive Form von elementarem Eisen, insbesondere eine Form eines kubisch raumzentrierten alpha-Eisens. Derartige reduzierte Eisenkatalysatoren können besonders gut als In the production of catalysts or catalyst precursors based on iron oxides for the synthesis of ammonia, the iron oxides are usually reduced in reactors using reducing gases. A catalytically very active form of elemental iron is formed, in particular a form of body-centered cubic alpha iron. Such reduced iron catalysts are particularly good as
Katalysatoren für die Ammoniaksynthese, insbesondere die Haber-Bosch-Synthese verwendet werden. Catalysts for the ammonia synthesis, especially the Haber-Bosch synthesis are used.
Während der Reduktion der Eisenoxide wird Wasser gebildet, das jedoch als Katalysatorgift wirken kann. Um daher die Menge des während der Reduktion gebildeten Wassers zu beschränken, wird der Reduktionsvorgang häufig sehr langsam und vorsichtig durchgeführt. Weiterhin wird die Konzentration des gebildeten Wassers durch die Ascarit-Methode in regelmäßigen Abständen bestimmt. Bei dieser Analyse wird der Gehalt an Wasser dadurch bestimmt, dass eine definierte Probengasmenge ein Adsorptionsmittel durchströmt, wobei das Adsorptionsmittel nur das Wasser im Probengas adsorbiert. Im Anschluss wird die Gewichtsdifferenz des Adsorptionsmittels bestimmt und mit dem gemessenen Volumenstrom die Wassermenge berechnet. Eine derartige Methode ist zeitlich sehr aufwendig und liefert erst mit einer gewissen Verzögerung Informationen über den Wassergehalt der Probe. During the reduction of the iron oxides, water is formed, but this can act as a catalyst poison. Therefore, in order to limit the amount of water formed during the reduction, the reduction process is often carried out very slowly and carefully. Furthermore, the concentration of the water formed is determined at regular intervals using the Ascarit method. In this analysis, the water content is determined by the fact that a defined amount of sample gas flows through an adsorbent, the adsorbent only adsorbing the water in the sample gas. The difference in weight of the adsorbent is then determined and the amount of water calculated using the measured volume flow. Such a method is very time-consuming and only provides information about the water content of the sample with a certain delay.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Aktivierung von Katalysatoren und Katalysatorvorgängern zur Ammoniaksynthese bereitzustellen, das bezüglich der oben genannten Nachteile verbessert ist. Weiterhin wird die Verwendung eines NDIR-Detektors zur Bestimmung der Konzentration des Wassers während der Reduktion von Eisenoxiden beschrieben. The object of the present invention is to provide a method for activating catalysts and catalyst precursors for ammonia synthesis which is improved with regard to the above-mentioned disadvantages. Furthermore, the use of an NDIR detector to determine the concentration of water during the reduction of iron oxides is described.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Aktivierung von Katalysatoren und Katalysatorvorgängern zur Ammoniaksynthese, umfassend die Verfahrensschritte: The present invention relates to a process for the activation of catalysts and catalyst precursors for ammonia synthesis, comprising the process steps:
(A) Eisenoxide werden zur Aktivierung der Katalysatoren unter Verwendung zumindest eines reduzierenden Gases und mittels Aufheizens reduziert, (A) Iron oxides are reduced to activate the catalysts using at least one reducing gas and by means of heating,
(B) die Konzentration des während der Reduktion in der Gasphase gebildeten Wassers wird mittels nicht-dispersiver Infrarotspektroskopie (NDIR) gemessen, und (C) die Flussrate des reduzierenden Gases und/oder die Aufheizrate werden in Abhängigkeit von der Konzentration des gebildeten Wassers eingestellt. (B) the concentration of the water formed during the reduction in the gas phase is measured by means of non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR), and (C) the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate are adjusted as a function of the concentration of the water formed.
Bei der nicht-dispersiven Infrarotspektroskopie (NDIR) handelt es sich um eine The non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR) is a
spektrometrische Analyse von zu vermessenen Gasen, bei der Infrarot-Strahlung einer definierten Wellenlänge in eine Probe eingestrahlt wird. Abhängig von der Konzentration des Gases im Strahlenpfad wird der IR-Strahl durch Absorption abgeschwächt. Dadurch entstehen im Inneren eines opto-pneumatischen Empfängers, eines NDIR-Sensors, Druckunterschiede, die durch Mikroflusssensoren beispielsweise in elektrische Spannung umgewandelt werden können und Aufschluss über die Menge der absorbierenden Spectrometric analysis of gases to be measured, in which infrared radiation of a defined wavelength is radiated into a sample. Depending on the concentration of the gas in the beam path, the IR beam is weakened by absorption. This creates pressure differences inside an opto-pneumatic receiver, an NDIR sensor, which can be converted into electrical voltage by microflow sensors, for example, and provides information about the amount of absorbing
Gasmoleküle in der Probe geben. Bezüglich des Aufbaus der NDIR-Sensoren, die dem Fachmann bekannt sind, wird auf das Handbuch„XStream Gas Analyzers, XStream X2 Series“ von Emerson Process Management GmbH & Co. OHG, Ausgabe Mai 2017, Abschnitte 3.1.2 und 3.1.3 verwiesen. Put gas molecules in the sample. With regard to the structure of the NDIR sensors, which are known to those skilled in the art, reference is made to the manual "XStream Gas Analyzers, XStream X2 Series" from Emerson Process Management GmbH & Co. OHG, May 2017 edition, sections 3.1.2 and 3.1.3 .
Die Bestimmung der Konzentration des Wassers mittels NDIR ist dabei unmittelbar möglich und benötigt keine aufwändigen Analysen im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren, sodass die Flussrate des reduzierenden Gases und/oder die Aufheizrate in Abhängigkeit von der Konzentration des Wassers im Reaktoraustrittsgas besonders einfach eingestellt werden können, und so die Entstehung von für den Katalysator schädlichen Wasserkonzentrationen während der Reduktion vermindert werden kann. The determination of the concentration of the water by means of NDIR is directly possible and does not require complex analyzes in contrast to the conventional methods, so that the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate can be set particularly easily depending on the concentration of the water in the reactor outlet gas, and so the generation of water concentrations harmful to the catalyst can be reduced during the reduction.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können aus den Eisenoxiden fertige By means of the method according to the invention, the iron oxides can be prepared
Katalysatoren hergestellt bzw. diese aktiviert werden, und diese direkt im Anschluss an die Aktivierung zur Ammoniaksynthese aus Synthesegas, beispielsweise umfassend eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff, eingesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch vor-reduzierte Katalysatorvorgänger herzustellen, die zunächst unter kontrollierten Bedingungen reduziert und anschließend in oxidierender Atmosphäre passiviert werden, bevor sie bei der Ammoniaksynthese als Katalysatoren eingesetzt werden. Diese vor-reduzierten Katalysatoren können deutlich schneller und unter milderen Bedingungen aktiviert werden als die Eisenoxide. Catalysts are produced or activated, and these are used directly after the activation for ammonia synthesis from synthesis gas, for example comprising a mixture of nitrogen and hydrogen. It is also possible, by means of the process according to the invention, to produce pre-reduced catalyst precursors which are first reduced under controlled conditions and then passivated in an oxidizing atmosphere before they are used as catalysts in the ammonia synthesis. These pre-reduced catalysts can be activated significantly faster and under milder conditions than the iron oxides.
Weiterhin kann im Verfahrensschritt (C) die im Verfahrensschritt (B) ermittelte Konzentration des Wassers mit einem vorgegebenen Grenzwert für Wasser verglichen werden. Dies kann beispielsweise so durchgeführt werden, dass ein Bereich um den Grenzwert definiert wird und die Flussrate des reduzierenden Gases und/oder die Aufheizrate in Abhängigkeit von der gemessen Wasserkonzentration so eingestellt werden, dass die Konzentration an Wasser sich innerhalb des vorgegebenen Bereichs um den Grenzwert bewegt. Vor allem zu Beginn des Verfahrens kann die Wasserkonzentration um den Bereich um den Grenzwert schwanken und sich somit auch außerhalb dieses Bereichs befinden. Insbesondere kann, wenn das Verfahren noch nicht stabil läuft, die Wasserkonzentration den Bereich um den Grenzwert um 200 ppmv (parts per million per volume) für maximal 1 h bzw. um 400 ppmv für maximal 20 min überschreiten. Sobald das Verfahren stabil läuft wird die Furthermore, in method step (C), the concentration of the water determined in method step (B) can be compared with a predetermined limit value for water. This can be carried out, for example, in such a way that a range is defined around the limit value and the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate are set as a function of the measured water concentration so that the concentration increases Water is within the specified range around the limit value. Especially at the beginning of the process, the water concentration can fluctuate around the limit value and therefore also be outside this range. In particular, if the process is not yet stable, the water concentration can exceed the limit value by 200 ppmv (parts per million per volume) for a maximum of 1 hour or by 400 ppmv for a maximum of 20 minutes. As soon as the process is stable, the
Wasserkonzentration sich hauptsächlich innerhalb des Bereichs um den Grenzwert bewegen. Water concentrations are mainly within the range around the limit value.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im In a further embodiment of the method according to the invention, in
Verfahrensschritt (C) zumindest einer der folgenden Teilschritte durchgeführt: Process step (C) carried out at least one of the following substeps:
(C1 ) die Aufheizrate wird erhöht, wenn die im Verfahrensschritt (B) ermittelte (C1) the heating rate is increased if that determined in method step (B)
Konzentration an Wasser unterhalb des Bereichs um den vorgegebenen Grenzwert liegt, oder The concentration of water is below the range around the specified limit value, or
(C2) die Flussrate wird erhöht und/oder die Aufheizrate wird erniedrigt, wenn die im Verfahrensschritt (B) ermittelte Konzentration an Wasser oberhalb des Bereichs um den vorgegebenen Grenzwert liegt, oder (C2) the flow rate is increased and / or the heating rate is decreased if the concentration of water determined in method step (B) is above the range around the predetermined limit value, or
(C3) die Flussrate und/oder die Aufheizrate werden beibehalten, wenn die im (C3) the flow rate and / or the heating rate are maintained if the im
Verfahrensschritt (B) ermittelte Konzentration an Wasser innerhalb des Bereichs um den vorgegebenen Grenzwert liegt. Method step (B) determined concentration of water is within the range around the predetermined limit value.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass die Konzentration des während der Reduktion der Eisenoxide gebildeten Wassers in der Gasphase vorteilhafterweise einen Grenzwert von 4000 ppmv, bevorzugt von 3400 ppmv, weiter bevorzugt von 3200 ppmv, noch bevorzugter von 3000 ppmv nicht überschreiten soll. Reduzierte Eisen katalysatoren, die bei höheren Konzentrationen an Wasser in der Gasphase aktiviert wurden, zeigen in der Regel bei der anschließenden Ammoniaksynthese geringere Aktivitäten. Eine Aktivierung der Eisenoxide mit einem höheren Anteil an Wasser in der Gasphase führt somit zu The inventors of the present invention have recognized that the concentration of the water formed during the reduction of the iron oxides in the gas phase should advantageously not exceed a limit of 4000 ppmv, preferably 3400 ppmv, more preferably 3200 ppmv, even more preferably 3000 ppmv. Reduced iron catalysts, which were activated at higher concentrations of water in the gas phase, usually show lower activities in the subsequent ammonia synthesis. Activation of the iron oxides with a higher proportion of water in the gas phase thus leads to
Katalysatoren, die bei der anschließenden Ammoniaksynthese geringere Aktivität aufweisen, gleichzeitig ermöglicht ein höherer Anteil an Wasser aber eine schnellere und damit ökonomischere Aktivierung der Katalysatoren. Insbesondere ist der Bereich um den Catalysts which have lower activity in the subsequent ammonia synthesis, but at the same time a higher proportion of water enables faster and therefore more economical activation of the catalysts. In particular, the area around the
Grenzwert ausgewählt aus einer Gruppe von Bereichen bestehend aus: ±1000 ppmv, ±800 ppmv, ±600 ppmv, ±400 ppmv, ±300 ppmv und ±200 ppmv. Der Bereich beträgt bevorzugt ±300 ppmv, weiter bevorzugt ±200 ppmv. Möglich ist ein Grenzwert von 3000 ppmv und ein Bereich von ±600 ppmv. Besonders bevorzugt ist ein Grenzwert von 3000 ppmv und ein Bereich von ±200 ppmv. Die Aufheizrate kann bei niedrigen Temperaturen in der Reaktor-Anlage sehr groß sein und vor allem zu Beginn der Reduktion bis zu 40 K/h betragen. Umgekehrt kann die Aufheizrate während der Reduktion der Eisenoxide, solange die Konzentration an Wasser im Limit selected from a group of ranges consisting of: ± 1000 ppmv, ± 800 ppmv, ± 600 ppmv, ± 400 ppmv, ± 300 ppmv, and ± 200 ppmv. The range is preferably ± 300 ppmv, more preferably ± 200 ppmv. A limit value of 3000 ppmv and a range of ± 600 ppmv are possible. A limit value of 3000 ppmv and a range of ± 200 ppmv are particularly preferred. The heating rate can be very high at low temperatures in the reactor system and can be up to 40 K / h especially at the beginning of the reduction. Conversely, the heating rate during the reduction of the iron oxides, as long as the concentration of water in the
gewünschten Bereich liegt, im Bereich von 0 K/h bis 2 K/h liegen. Die Zeiträume mit diesen kleinen Aufheizraten können abhängig von der Flussrate und des Katalysatorvolumens bis zu 48 h betragen. desired range is in the range from 0 K / h to 2 K / h. The periods of time with these small heating rates can be up to 48 hours, depending on the flow rate and the catalyst volume.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses als kontinuierliches Verfahren ausgeführt werden, wobei die Verfahrensschritte (A), (B) und (C) kontinuierlich durchgeführt werden. Somit ist es insbesondere möglich während der Reduktion der Eisenoxide im Verfahrensschritt (A) auch gleichzeitig die Konzentration des während der Reduktion gebildeten Wassers im Verfahrensschritt (B) mittels NDIR zu bestimmen und innerhalb eines kurzen Zeitraums im Verfahrensschritt (C) die Flussrate des reduzierenden Gases und/oder die Aufheizrate entsprechend anzupassen. Somit können vorteilhafterweise alle Verfahrensschritte (A) bis (C) parallel nebeneinander bzw. gleichzeitig durchgeführt werden, was gegenüber dem herkömmlichen Verfahren, bei dem erst die Ergebnisse der Ascarit-Methode abgewartet werden müssen, einen erheblichen Zeitvorteil bedeutet. So kann die Konzentration des Wassers im Verfahrensschritt (B) mittels NDIR kontinuierlich gemessen werden (zwei Messwerte pro Sekunde), während mit der Ascarit- Methode in der Regel lediglich alle 1 bis 2 h ein Messwert vorliegt. Weiterhin können in Abhängigkeit von der im Verfahrensschritt (B) bestimmten Wasserkonzentration die According to an advantageous embodiment of the process according to the invention, this can be carried out as a continuous process, process steps (A), (B) and (C) being carried out continuously. It is thus possible in particular to determine the concentration of the water formed during the reduction in process step (B) by means of NDIR during the reduction of the iron oxides in process step (A) and to determine the flow rate of the reducing gas and within a short period of time in process step (C) / or adjust the heating rate accordingly. Thus, all process steps (A) to (C) can advantageously be carried out in parallel alongside one another or at the same time, which means a considerable time advantage compared to the conventional process in which the results of the Ascarit method must first be awaited. The concentration of the water in process step (B) can be measured continuously by means of NDIR (two measured values per second), while with the Ascarit method, a measured value is usually only available every 1 to 2 hours. Furthermore, depending on the water concentration determined in process step (B), the
Teilschritte (C1 ), (C2) oder (C3) je nach Bedarf mehrmals hintereinander ausgeführt werden. Sub-steps (C1), (C2) or (C3) can be carried out several times in succession as required.
Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Messung des während der Reduktion gebildeten Wassers im Verfahrensschritt (B) in Echtzeit. Dies erlaubt es auf Änderungen in der Konzentration des gebildeten Wassers sofort zu reagieren und die Flussrate und/oder die Aufheizrate entsprechend anzupassen. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 10 min auf eine Änderung der Menge des gebildeten Wassers reagiert werden. In Abhängigkeit von der Aufheizrate kann die Wasserkonzentration in einem Zeitraum von 0,5 h bis 2 h von 0 ppmv auf Werte von bis zu 3000 ppmv ansteigen. In der Regel wird die In a further variant of the method according to the invention, the measurement of the water formed during the reduction in method step (B) takes place in real time. This makes it possible to react immediately to changes in the concentration of the water formed and to adjust the flow rate and / or the heating rate accordingly. In this variant of the process according to the invention, it is possible to react to a change in the amount of water formed, in particular within a period of 1 to 10 minutes. Depending on the heating rate, the water concentration can rise from 0 ppmv to values of up to 3000 ppmv in a period of 0.5 h to 2 h. Usually the
Wasserkonzentration im Verfahrensschritt (B) mittels NDIR kontinuierlich gemessen und alle 15 min kontrolliert und in Abhängigkeit von der gemessenen Wasserkonzentration die Aufheizrate und/oder die Flussrate des reduzierenden Gases im Verfahrensschritt (C) entsprechend angepasst. Vorteilhafterweise wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren im Verfahrensschritt (A) eine Mischung umfassend Wasserstoff und Stickstoff als reduzierendes Gas verwendet, wobei während der Reduktion der Katalysatoren aufgrund einer teilweisen Aktivierung der Katalysatoren bereits Ammoniak gebildet werden kann. Bei einer derartigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Aktivierung der Katalysatoren während des Verfahrens auch durch den ansteigenden Gehalt an gebildeten Ammoniak in der Gasphase bestimmt werden. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einem Reaktor durchgeführt wird, der auch zur Ammoniak-Synthese eingesetzt wird, kann nach beendeter Aktivierung der Katalysatoren besonders einfach sofort mit der Ammoniak-Synthese begonnen werden. Das reduzierende Gas kann weiterhin noch Edelgase, wie beispielsweise Argon enthalten. Insbesondere können sämtliche in der Luft vorhandenen Edelgase im reduzierenden Gas vorhanden sein. Zusätzlich kann sich auch Methan im reduzierenden Gas befinden, das während des Reformierens, der Bildung von Wasserstoff aus Methan, nicht umgesetzt wurde. Water concentration in process step (B) measured continuously by means of NDIR and checked every 15 min and, depending on the measured water concentration, the heating rate and / or the flow rate of the reducing gas in process step (C) is adjusted accordingly. A mixture comprising hydrogen and nitrogen is advantageously used as the reducing gas in a process according to the invention in process step (A), it being possible for ammonia to be formed during the reduction of the catalysts due to partial activation of the catalysts. In such a variant of the process according to the invention, the activation of the catalysts during the process can also be determined by the increasing content of ammonia formed in the gas phase. If the process according to the invention is carried out in a reactor which is also used for ammonia synthesis, the ammonia synthesis can be started particularly easily immediately after the activation of the catalysts has ended. The reducing gas can also contain noble gases such as argon. In particular, all of the noble gases present in the air can be present in the reducing gas. In addition, there may also be methane in the reducing gas, which was not converted during the reforming, the formation of hydrogen from methane.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im In a further advantageous variant of the method according to the invention, in
Verfahrensschritt (B) die Konzentration des während der Reduktion gebildeten Wassers in einem Wellenlängenbereich von 2,6 gm bis 3 gm, bevorzugt im Bereich von 2,7 bis 2,8 pm, weiter bevorzugt im Bereich von 2,75 pm bis 2,79 pm gemessen. Üblicherweise wird die Konzentration von Wasser bei Wellenlängen von etwa 6 pm gemessen, wobei aber in diesem Wellenlängenbereich die Interferenz mit Absorptionsbanden des Ammoniaks besonders groß ist. Um diese Überlappung zu vermindern wird daher bevorzugt in dem oben angegebenen Wellenlängenbereich von 2,6 pm bis 3 pm gemessen. Process step (B) the concentration of the water formed during the reduction in a wavelength range from 2.6 μm to 3 gm, preferably in the range from 2.7 to 2.8 μm, more preferably in the range from 2.75 μm to 2.79 measured pm. The concentration of water is usually measured at wavelengths of about 6 pm, but in this wavelength range the interference with absorption bands of ammonia is particularly large. In order to reduce this overlap, measurements are therefore preferably made in the above-specified wavelength range from 2.6 μm to 3 μm.
Besonders vorteilhaft wird im Verfahrensschritt (B) zur Messung des gebildeten Wassers ein NDIR-Gerät verwendet, bei dem im Wellenlängenbereich von 2,6 pm bis 3 pm, weiter bevorzugt im Bereich von 2,75 pm bis 2,79 pm die Absorptionsbanden von Ammoniak mittels Kalibrierung herausgerechnet sind. Beispielsweise können mittels experimenteller Daten, bei denen Gasproben mit etwa 0 Volumen % bis 20 Volumen % Ammoniak mittels NDIR vermessen wurden, Eichkurven zur Kalibrierung erstellt werden. Diese Eichkurven ermöglichen es das Hintergrundsignal von Ammoniak in dem oben angegebenen In method step (B) it is particularly advantageous to use an NDIR device for measuring the water formed, in which the absorption bands of ammonia are in the wavelength range from 2.6 pm to 3 pm, more preferably in the range from 2.75 pm to 2.79 pm are deducted by means of calibration. For example, calibration curves can be created for calibration by means of experimental data in which gas samples with approximately 0% by volume to 20% by volume of ammonia were measured by means of NDIR. These calibration curves allow the background signal of ammonia in the above given
Wellenlängenbereich in Abhängigkeit von der Konzentration des Ammoniaks zu bestimmen und entsprechend bei der Analyse des Wassers in diesem Wellenlängenbereich zu berücksichtigen. Die Erfinder des vorliegenden Verfahrens haben festgestellt, dass während der Reduktion der Eisenoxide mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff Ammoniak in Mengen von 0 Volumen % bis 20 Volumen % gebildet werden kann, wobei mit fortschreitender Reduktion der Anteil an Ammoniak in der Gasphase zunimmt. Besonders vorteilhaft kann im Verfahrensschritt (B) zusätzlich die Konzentration des im Verlauf der Reduktion gebildeten Ammoniaks mittels NDIR bestimmt werden. Eine Determine the wavelength range depending on the concentration of ammonia and take this into account when analyzing the water in this wavelength range. The inventors of the present method have found that during the reduction of the iron oxides with a mixture of hydrogen and nitrogen, ammonia can be formed in amounts of 0% by volume to 20% by volume, with the proportion of ammonia in the gas phase increasing as the reduction progresses. In method step (B), the concentration of the ammonia formed in the course of the reduction can also be determined particularly advantageously by means of NDIR. A
Bestimmung des Ammoniaks, der im Verlauf der Reduktion bei Vorhandensein von Stickstoff in der Gasphase ebenfalls gebildet werden kann, kann besonders vorteilhaft Aufschluss über den Verlauf der Aktivierung der Katalysatoren oder Katalysatorvorgänger geben. Eine Bestimmung der Konzentration an gebildetem Ammoniak in der Gasphase kann dabei besonders einfach analog zur Bestimmung des Wassers in der Gasphase mittels NDIR erfolgen, was eine besonders schnelle Bestimmung der Werte ermöglicht. Insbesondere ist es möglich, Ammoniak gleichzeitig in einer Probe zusammen mit Wasser mittels NDIR zu bestimmen, wobei die Konzentration des Ammoniaks vorteilhafterweise in einem Determination of the ammonia, which can also be formed in the course of the reduction in the presence of nitrogen in the gas phase, can particularly advantageously provide information about the course of the activation of the catalysts or catalyst precursors. The concentration of ammonia formed in the gas phase can be determined in a particularly simple manner, analogously to the determination of water in the gas phase by means of NDIR, which enables the values to be determined particularly quickly. In particular, it is possible to determine ammonia simultaneously in a sample together with water by means of NDIR, the concentration of the ammonia advantageously in one
Wellenlängenbereich von 10,8 gm bis 1 1 ,2 gm, bevorzugt bei 1 1 pm bestimmt wird. In diesem Bereich absorbiert Wasser keine IR-Strahlung, so dass die Konzentration an Wavelength range from 10.8 gm to 1 1, 2 gm, preferably at 1 1 pm is determined. In this area, water does not absorb any IR radiation, so the concentration increases
Ammoniak besonders einfach ohne eine notwendige Korrektur der Werte bestimmt werden kann. Ammonia can be determined particularly easily without a necessary correction of the values.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reduktion im Verfahrensschritt (A) in einem Reaktor durchgeführt, der über Rohrzuleitungen zur Zuleitung des reduzierenden Gases und Rohrableitungen zur Ableitung eines In a further advantageous variant of the process according to the invention, the reduction in process step (A) is carried out in a reactor which, via pipe feed lines for feeding in the reducing gas and pipe outlets for discharging a
gasförmigen Reaktionsgemisches aus der Reduktion verfügt, das unter anderem das in der Reduktion gebildete Wasser und eventuell gebildetes Ammoniak enthält. Die Has gaseous reaction mixture from the reduction, which contains, inter alia, the water formed in the reduction and any ammonia formed. The
Rohrableitungen weisen eine Probeleitung am Reaktorausgang zur Entnahme einer Probe für die NDIR-Messung auf. Die Probeleitung ist vorteilhafterweise thermisch isoliert und weist eventuell auch eine zusätzliche Heizvorrichtung auf, die sicherstellt, dass die Pipe discharge lines have a sample line at the reactor outlet for taking a sample for the NDIR measurement. The test line is advantageously thermally insulated and possibly also has an additional heating device that ensures that the
Temperatur in der Probeleitung nicht zu stark abnimmt. Ein Temperaturabfall führt dazu, dass Wasser kondensiert, was die durch NDIR gewonnenen Messergebnisse verfälschen würde. Wenn die zu messende Probe direkt am Reaktorausgang genommen wird, spielen Wärmeverluste in der Reaktorausgangsleitung noch keine so große Rolle. Im Temperature in the sample line does not decrease too much. A drop in temperature causes water to condense, which would falsify the measurement results obtained by NDIR. If the sample to be measured is taken directly at the reactor outlet, heat losses in the reactor outlet line do not yet play such a major role. in the
Verfahrensschritt (B) kann bei einer derartigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine zu analysierende Probe der Gasphase besonders einfach über die Probeleitung entnommen und die Konzentration an Wasser und/oder die Konzentration an Ammoniak mittels NDIR besonders zuverlässig bestimmt werden. With such a variant of the method according to the invention, a sample of the gas phase to be analyzed can be taken particularly easily via the sample line and the concentration of water and / or the concentration of ammonia can be determined particularly reliably by means of NDIR.
Insbesondere kann eine zu analysierende Probe auf einen Druck von etwa 0.01 bis 2 barg (0,01 bis 2 bar über Normaldruck) entspannt werden und dann der Wassergehalt und/oder Ammoniak-Gehalt mittels NDIR bestimmt werden. Der Taupunkt des Probegases reduziert sich bei diesen Bedingungen von etwa 70 °C bis 80 °C vor der Entspannung auf 0 °C bis 10 °C, bevorzugt auf etwa 10 °C nach der Entspannung, wobei die Temperatur im NDIR- Gerät in der Regel bei 40 °C bis 50 °C liegt. Das zu messende Gasgemisch darf maximal eine Temperatur von 60 °C haben, wobei die minimale Temperatur knapp über dem In particular, a sample to be analyzed can be expanded to a pressure of about 0.01 to 2 barg (0.01 to 2 bar above normal pressure) and the water content and / or ammonia content can then be determined by means of NDIR. Under these conditions, the dew point of the sample gas is reduced from about 70 ° C to 80 ° C before the expansion to 0 ° C 10 ° C, preferably to about 10 ° C after relaxation, the temperature in the NDIR device usually being 40 ° C to 50 ° C. The gas mixture to be measured may have a maximum temperature of 60 ° C, with the minimum temperature just above the
Taupunkt liegen kann. Weiterhin kann der zu analysierende Probengasstrom auch gefiltert werden, um ein Verschmutzen des NDIR-Detektors zu verhindern. Vorteilhafterweise wird während der Messung immer die gleiche Flussrate eingestellt, um besser reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten. Die Flussrate während der NDIR-Messung kann insbesondere im Bereich von 0,2 l/min bis 1 ,5 l/min, bevorzugt bei 1 ,5 l/min liegen. May be dew point. Furthermore, the sample gas stream to be analyzed can also be filtered in order to prevent the NDIR detector from being contaminated. The same flow rate is advantageously always set during the measurement in order to obtain better reproducible measurement results. The flow rate during the NDIR measurement can in particular be in the range from 0.2 l / min to 1.5 l / min, preferably 1.5 l / min.
Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Verlauf der In a further variant of the method according to the invention, the
Reduktion gebildetes Ammoniak und/oder Wasser aus dem Reaktor im Verfahrensschritt (C) abgeführt und mittels eines Kühlers kondensiert. Dies ermöglicht es besonders einfach Wasser und eventuell gebildetes Ammoniak dem Reduktionsprozess zu entziehen und somit eine Anreicherung von Wasser während des Reduktionsprozesses zu verhindern. Reduction formed ammonia and / or water removed from the reactor in process step (C) and condensed by means of a cooler. This enables water and any ammonia formed to be withdrawn from the reduction process in a particularly simple manner and thus to prevent an accumulation of water during the reduction process.
Im Verfahrensschritt (C) kann zusätzlich die Temperatur des Kühlers so eingestellt werden, dass sie wenigstens 10 K, bevorzugt wenigstens 5 K über dem Gefrierpunkt der wässrigen Ammoniaklösung liegt. Bei einem derartigen Verfahren kann einerseits die Temperatur des Kühlers so eingestellt werden, dass ein nachteiliges Einfrieren des Kühlers verhindert wird, andererseits aber dennoch die Temperatur des Kühlers soweit abgesenkt wird, dass ein zuverlässiges Kondensieren von Wasser und/oder Ammoniak bzw. einer wässrigen In method step (C), the temperature of the cooler can also be set so that it is at least 10 K, preferably at least 5 K, above the freezing point of the aqueous ammonia solution. In such a method, on the one hand, the temperature of the cooler can be set in such a way that disadvantageous freezing of the cooler is prevented, but on the other hand the temperature of the cooler is nevertheless lowered to such an extent that reliable condensation of water and / or ammonia or an aqueous
Ammoniaklösung gut möglich ist. Aufgrund der besonders einfach und schnell Ammonia solution is quite possible. Because of the particularly easy and quick
durchzuführenden NDIR-Messungen von Wasser und/oder Ammoniak können die NDIR measurements of water and / or ammonia to be carried out can be the
Verfahrensparameter für die Reduktion, beispielsweise der Druck, die Temperatur und die Flussrate den jeweiligen gemessenen Konzentrationen an Wasser und/oder Ammoniak in der Gasphase angepasst werden, um ein zuverlässiges Kondensieren zu ermöglichen. Process parameters for the reduction, for example the pressure, the temperature and the flow rate, are adapted to the respective measured concentrations of water and / or ammonia in the gas phase in order to enable reliable condensation.
Besonders einfach kann das zumindest eine reduzierende Gas, beispielsweise umfassend ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff, nach dem Abschneiden von Wasser und/oder Ammoniak wieder dem Reduktionsprozess zugeführt werden. Da während des The at least one reducing gas, for example comprising a mixture of nitrogen and hydrogen, can be fed back into the reduction process in a particularly simple manner after the water and / or ammonia have been cut off. Since during the
Reduktionsprozesses nicht das gesamte reduzierende Gas verbraucht wird, ist eine derartige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders ökonomisch. Reduction process not all of the reducing gas is consumed, such a variant of the method according to the invention is particularly economical.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann im Verfahrensschritt (A) eine Reaktor-Anlage verwendet werden, die einen Reaktor zur Reduktion der Eisenoxide umfasst, der For the process according to the invention, a reactor system can be used in process step (A) which comprises a reactor for reducing the iron oxides, which
Rohrzuleitungen zur Zuleitung des reduzierenden Gases und Rohrableitungen zur Ableitung eines gasförmigen Reaktionsgemisches aus der Reduktion aufweist. Insbesondere kann die Reaktor-Anlage einen Gaskreislauf aufweisen, bei dem aus dem Reaktor abgeleitetes gasförmiges Reaktionsgemisch nach Abscheidung von Wasser und/oder Ammoniak über die Rohrzuleitungen wieder dem Reduktionsprozess zugeführt wird. Bei einem derartigen Reaktorsystem kann es sich insbesondere um einen Reaktor zur Ammoniaksynthese handeln, bei dem vor Inbetriebnahme der Katalysator aus Katalysatorvorgängern mittels einer Aktivierung durch Reduktion erhalten wird. Alternativ kann die Reaktor-Anlage auch ein Reaktor sein, der zur Reduktion der Katalysatoren konzipiert wurde und aus dem nach der erfolgten Reduktion und eventueller Passivierung der Katalysatorvorgänger diese entfernt und abtransportiert werden können. Having pipe feed lines for feeding the reducing gas and pipe discharge lines for discharging a gaseous reaction mixture from the reduction. In particular, the Reactor system have a gas circuit in which the gaseous reaction mixture derived from the reactor is fed back to the reduction process via the pipe feed lines after separation of water and / or ammonia. Such a reactor system can in particular be a reactor for ammonia synthesis, in which the catalyst is obtained from catalyst precursors by means of activation by reduction before being put into operation. Alternatively, the reactor system can also be a reactor which was designed for reducing the catalysts and from which the catalyst precursors can be removed and transported away after the reduction and possible passivation has taken place.
Als Eisenoxide können im Verfahrensschritt (A) bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere Magnetit oder Wüstit oder eine Kombination davon, bevorzugt Wüstit verwendet werden. Magnetit ist ein gemischtes Eisenoxid mit der allgemeinen chemischen Zusammensetzung Fe3Ü4 und enthält zweiwertiges und In a further embodiment of the process according to the invention, in particular magnetite or wustite or a combination thereof, preferably wustite, can be used as iron oxides in process step (A). Magnetite is a mixed iron oxide with the general chemical composition Fe 3 Ü 4 and contains divalent and
dreiwertiges Eisen. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei Wüstit um Eisen (Il)-Oxid FeO, welches auch eine nicht-stöchiometrische Zusammensetzung Fei-xO aufweisen kann. trivalent iron. In contrast, it concerns with wustite to iron (II) oxide FeO, which may also have a non-stoichiometric composition RDI O x.
Im Verfahrensschritt (A) kann die Temperatur bei der Reduktion auf einen Bereich von 360 °C bis 450 °C, bevorzugt einen Bereich von 370 °C bis 400 °C (für Wüstit) eingestellt werden. Bei diesen Temperaturen kann besonders zuverlässig eine Reduktion von In process step (A), the temperature during the reduction can be set to a range from 360 ° C. to 450 ° C., preferably a range from 370 ° C. to 400 ° C. (for wustite). At these temperatures, a reduction of
Eisenoxiden, beispielsweise Wüstit oder Magnetit durchgeführt werden. Iron oxides, for example wustite or magnetite, can be carried out.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Reduktion von Wüstit bereits bei niedrigeren The inventors have found that the reduction of wüstite already at lower
Temperaturen von etwa 370 °C bis 400 °C abläuft. Während der Reduktion wird Wasser freigesetzt. Im Gegensatz dazu werden für die Reduktion von Magnetit unter Temperatures of about 370 ° C to 400 ° C expires. Water is released during the reduction. In contrast, for the reduction of magnetite under
Wasserfreisetzung Temperaturen von über 400 °C, insbesondere im Bereich von 420 °C bis 460 °C benötigt. Somit ist eine effektive Kontrolle des Verfahrens über die Aufheizrate und/oder die Flussrate besonders bei der Reduktion von Wüstit vorteilhaft, um ein zu starkes Ansteigen der Konzentration an Wasser in der Gasphase bereits bei niedrigeren Water release temperatures of over 400 ° C, especially in the range of 420 ° C to 460 ° C. Thus, effective control of the process via the heating rate and / or the flow rate is particularly advantageous when reducing Wustite, in order to prevent the concentration of water in the gas phase from increasing too much even at lower levels
Temperaturen zu verhindern. To prevent temperatures.
Im Verfahrensschritt (C) kann die Flussrate {„gas hourly space velocity; ghs\/‘) insbesondere auf Werte von 1000 h 1 bis 70000 h 1 , bevorzugt von 3000 h 1 bis 60000 h 1 eingestellt werden. Die Drücke können im Verfahrensschritt (A) auf Werte von 60 bar bis 600 bar, bevorzugt 60 bar bis 300 bar, bevorzugter 60 bar bis 180 bar, weiter bevorzugt 80 bar bis 150 bar eingestellt werden. Zu Beginn liegen die Drücke bei etwa 80 bar, während bei In process step (C) the flow rate (gas hourly space velocity; ghs \ / ') in particular to values from 1000 h 1 to 70,000 h 1 , preferably from 3000 h 1 to 60,000 h 1 . The pressures in process step (A) can be set to values of 60 bar to 600 bar, preferably 60 bar to 300 bar, more preferably 60 bar to 180 bar, further preferably 80 bar to 150 bar. At the beginning, the pressures are around 80 bar, while at
fortschreitender Reduktion Drücke von bis zu 600 bar, bevorzugt bis zu 300 bar möglich sind Im Verfahrensschritt (A) kann insbesondere die Reduktion in einem System durchgeführt werden, das zur Aufheizung des zumindest einen reduzierenden Gases eine Heizvorrichtung aufweist. Die Heizvorrichtung kann dabei entweder im Reaktor vorhanden sein, oder sich außerhalb des Reaktors befinden, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise auch ein Wärmetauscher sein, bei dem Wärme aus dem Reaktorraum auf das neu hinzuzuführende reduzierende Gas übertragen wird. Eine Heizvorrichtung ist insbesondere zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig, um die für die Reduktion notwendigen Temperaturen zu erreichen. Bei Fortschreiten des progressive reduction pressures of up to 600 bar, preferably up to 300 bar are possible In method step (A), the reduction can in particular be carried out in a system which has a heating device for heating the at least one reducing gas. The heating device can either be present in the reactor or outside the reactor, as shown in FIG. 1. The heating device can, for example, also be a heat exchanger in which heat is transferred from the reactor space to the reducing gas to be newly added. A heating device is necessary in particular at the beginning of the method according to the invention in order to achieve the temperatures necessary for the reduction. As the
erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Verfahrensschritt (A) der Anteil der Heizvorrichtung an der Gesamtwärmebilanz sinken und der Anteil der Reaktionswärme aus der Bildung von Ammoniak ansteigen, was zur Folge hat, dass die Flussrate gesteigert werden kann. Process according to the invention, in process step (A), the proportion of the heating device in the total heat balance can decrease and the proportion of the heat of reaction from the formation of ammonia can increase, with the result that the flow rate can be increased.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem Verfahrensschritt (D) die Katalysatoren und/oder Katalysatorvorgänger aus dem In a further embodiment of the process according to the invention, the catalysts and / or catalyst precursors are in a process step (D) from the
Verfahrensschritt (C) einem oxidierenden Gas zur Bildung einer Schutzschicht auf den Katalysatoren und/oder Katalysatorvorgängern ausgesetzt. Als oxidierendes Gas kann insbesondere ein Gasgemisch umfassend Sauerstoff bzw. Luft verwendet werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn nach dem Abschluss der Reduktion die Zusammensetzung des Gases geändert wird und beispielsweise ein oxidierendes Gas umfassend Stickstoff und Luft zugeführt wird, sodass sich mittels Oxidation eine Passivierungsschicht auf den reduzierten Katalysatoren bildet. Vor Inbetriebnahme eines Reaktors zur Ammoniaksynthese können diese Katalysatorvorgänger besonders einfach einem kurzen Reduktionsschritt unterzogen werden und anschließend als Katalysatoren zur Ammoniaksynthese eingesetzt werden. Process step (C) exposed to an oxidizing gas to form a protective layer on the catalysts and / or catalyst precursors. In particular, a gas mixture comprising oxygen or air can be used as the oxidizing gas. It is particularly advantageous if the composition of the gas is changed after the reduction is complete and, for example, an oxidizing gas comprising nitrogen and air is supplied so that a passivation layer is formed on the reduced catalysts by means of oxidation. Before starting up a reactor for ammonia synthesis, these catalyst precursors can be subjected to a short reduction step in a particularly simple manner and then used as catalysts for ammonia synthesis.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines NDIR-Detektors zur Bestimmung der Konzentration des Wassers, das sich während der Reduktion von The present invention also relates to the use of an NDIR detector to determine the concentration of the water that is during the reduction of
Eisenoxiden bei der Aktivierung von Katalysatoren und Katalysatorvorgängern für die Ammoniaksynthese bildet. Forms iron oxides in the activation of catalysts and catalyst precursors for ammonia synthesis.
Insbesondere kann bei einer derartigen Verwendung die Bestimmung der Konzentration des Wassers in Echtzeit erfolgen. Die Reduktion kann mittels eines reduzierenden Gases erfolgen, und die Flussrate und/oder die Aufheizrate des reduzierenden Gases in In particular, with such a use, the concentration of the water can be determined in real time. The reduction can take place by means of a reducing gas, and the flow rate and / or the heating rate of the reducing gas in
Abhängigkeit von der Konzentration des gebildeten Wassers eingestellt werden. Im Übrigen können alle oben bereits im Bezug auf das Verfahren zur Aktivierung der Katalysatoren genannten Ausführungsformen auch im Rahmen der Verwendung eines NDIR-Detektors verwirklicht werden. Can be adjusted depending on the concentration of the water formed. Incidentally, all of the embodiments already mentioned above with regard to the method for activating the catalysts can also be implemented in the context of the use of an NDIR detector.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren noch näher erläutert werden. Es zeigen: In the following, the invention is to be explained in more detail using exemplary embodiments and figures. Show it:
Figur 1 ein Reaktorsystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Figuren 2 und 3 Fließschemata für die Bestimmung von Wasser und Ammoniak mittels NDIR und die daran anschließenden Verfahrensschritte zur Kontrolle des Verfahrens, 1 shows a reactor system for carrying out a method according to the invention, FIGS. 2 and 3 flow diagrams for the determination of water and ammonia by means of NDIR and the subsequent process steps for controlling the method,
Figuren 4 und 5 die Auswirkungen des Wassergehalts bei der Reduktion der Figures 4 and 5 show the effects of water content in reducing the
Eisenoxide auf die katalytische Aktivität, und Iron oxides on the catalytic activity, and
Figur 6 ein Diagramm über die Messung des Wassergehalts während der Reduktion von Eisenoxiden mittels NDIR. FIG. 6 shows a diagram of the measurement of the water content during the reduction of iron oxides by means of NDIR.
Figur 1 zeigt schematisch eine Reaktor-Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein Reaktor 10 ist vorhanden, der verschiedene Katalysatorbetten 10A aufweist. In den Katalysatorbetten 10A befinden sich die zu reduzierenden Eisenoxide. Der Reaktor 10 verfügt über ein Rohrsystem 60 mit Rohrzuleitungen 60A, über die das zumindest eine reduzierende Gas in den Reaktor geleitet wird, und über Rohrableitungen 60B, über die das gasförmige Reaktionsgemisch der Reduktion aus dem Reaktor abgeleitet wird, sodass das Gas in der Reaktor- An läge zirkulieren kann. Die Richtung der Pfeile deutet dabei die Figure 1 shows schematically a reactor system for carrying out a method according to the invention. A reactor 10 is provided which has several catalyst beds 10A. The iron oxides to be reduced are located in the catalyst beds 10A. The reactor 10 has a pipe system 60 with pipe feed lines 60A, via which the at least one reducing gas is fed into the reactor, and pipe outlets 60B via which the gaseous reaction mixture of the reduction is discharged from the reactor so that the gas in the reactor Can circulate. The direction of the arrows indicates the
Zirkulationsrichtung der Gase in der Reaktor-Anlage an. Während der Reduktion der Eisenoxide kann das zumindest eine reduzierende Gas mittels einer Heizvorrichtung 50 aufgeheizt werden. Weiterhin ist ein NDIR-Sensor 5 vorhanden, der an der Rohrableitung 60B den Wassergehalt und/oder den Ammoniakgehalt der Reaktionsgase des Direction of circulation of the gases in the reactor system. During the reduction of the iron oxides, the at least one reducing gas can be heated by means of a heating device 50. There is also an NDIR sensor 5, which measures the water content and / or the ammonia content of the reaction gases at the pipe outlet 60B
Reduktionsprozesses messen kann. Dazu ist eine isolierte und beheizbare Rohrleitung 6 an der Rohrableitung 60B vorhanden. Die Rohrleitung 6 kann dabei eine thermische Isolierung bzw. eine Heizvorrichtung aufweisen, die dazu dienen kann, die Temperatur des zu analysierenden Gasgemisches hoch genug zu halten, um eine Kondensation des Wassers und damit eine Verfälschung des NDIR-Messergebnisses zu vermeiden. Der Druck in der Rohrableitung 6 wird stufenweise auf 1 bis 2 barg und dann auf 0,01 bis 0,5 barg für die NDIR-Messung reduziert. Can measure the reduction process. For this purpose, there is an insulated and heatable pipe 6 on the pipe outlet 60B. The pipeline 6 can have a thermal insulation or a heating device, which can serve to keep the temperature of the gas mixture to be analyzed high enough to avoid condensation of the water and thus falsification of the NDIR measurement result. The pressure in the pipe outlet 6 is gradually reduced to 1 to 2 barg and then to 0.01 to 0.5 barg for the NDIR measurement.
Im Folgenden wird der Verlauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in dieser Reaktor-Anlage näher erläutert. Über eine Gaszuleitung 60C kann das zumindest eine reduzierende Gas, das bevorzugt Wasserstoff und Stickstoff umfasst, mittels eines Kompressors 25 komprimiert werden und dann über eine Rohrzuleitung 60A in das Innere des Reaktors 10 eingeführt werden. Zu Beginn des Verfahrens kann das Gasgemisch über die die Heizvorrichtung 50 auf die erforderliche Temperatur, beispielsweise auf bis zu 450 °C, bevorzugt auf 370 °C bis 390 °C gebracht werden und dann durch die Katalysatorbetten 10A geleitet werden. Zur Einstellung des Gasflusses sind im ganzen System Regelarmaturen 15 vorhanden. Die Größe der Katalysatorbetten 10A nimmt zu, je weiter die Katalysatorbetten stromabwärts im Reaktor 10 angeordnet sind. Während der Reduktion wird das aus der Reduktion resultierende The course of an embodiment of the process according to the invention in this reactor system is explained in more detail below. The at least one reducing gas, which preferably comprises hydrogen and nitrogen, can be compressed by means of a compressor 25 via a gas supply line 60C and then introduced into the interior of the reactor 10 via a pipe supply line 60A. At the start of the process, the gas mixture can be brought to the required temperature, for example up to 450 ° C., preferably to 370 ° C. to 390 ° C., via the heating device 50, and then passed through the catalyst beds 10A. Control fittings 15 are provided throughout the system to adjust the gas flow. The size of the catalyst beds 10A increases the further downstream the catalyst beds are arranged in the reactor 10. During the reduction, that resulting from the reduction becomes
Gasgemisch, das Wasser und/oder Ammoniak sowie nicht umgesetzten Wasserstoff und Stickstoff enthält, über die Rohrableitung 60B aus dem Reaktor geführt. Der Wasser- und/oder Ammoniakgehalt dieses Gasgemisches wird dann mittels des NDIR Sensors 5 ermittelt, der am Reaktorausgang über eine Rohrleitung 6 mit der Rohrableitung 60B verbunden ist. Das aus der Reduktion resultierende Gasgemisch kann anschließend über einen Wärmetauscher 40 die noch vorhandene Wärme zumindest teilweise abgeben. Das Gasgemisch wird dann in einen Abhitzekessel 20 geleitet, in dem es weitere Wärme an Wasser abgibt, das durch den Abhitzekessel geleitet wird. Dieses Wasser wird mittels eines Anschlusses 21 in den Abhitzekessel 20 eingeführt und als Wasserdampf aus dem Gas mixture containing water and / or ammonia as well as unreacted hydrogen and nitrogen, led out of the reactor via the pipe discharge line 60B. The water and / or ammonia content of this gas mixture is then determined by means of the NDIR sensor 5, which is connected at the reactor outlet via a pipe 6 to the pipe line 60B. The gas mixture resulting from the reduction can then at least partially release the heat that is still present via a heat exchanger 40. The gas mixture is then passed into a waste heat boiler 20, in which it gives off further heat to water, which is passed through the waste heat boiler. This water is introduced into the waste heat boiler 20 by means of a connection 21 and as water vapor from the
Abhitzekessel über den Anschluss 22 abgeführt. Der Wasserdampf kann beispielsweise zur Steigerung der Energieeffizienz und Wärmeeffizienz der gesamten Anlage zum Betrieb der Kompressoren mittels Dampfturbinen verwendet werden. Danach kann das Gasgemisch über weitere Wärmetauscher 40 bzw. über Ammoniak-Kühler 40A weitere Wärme abgeben, sodass es anschließend im Separator 30 zur Abscheidung einer Mischung von Ammoniak und/oder Wasser kommen kann. Das abgeschiedene Wasser/Ammoniak-Gemisch kann dann über die Ableitung 30 A aus dem System entfernt werden. Das Wasserstoff und Stickstoff enthaltende reduzierende Gasgemisch kann anschließend wieder dem Waste heat boiler discharged via connection 22. The steam can be used, for example, to increase the energy efficiency and thermal efficiency of the entire system for operating the compressors by means of steam turbines. The gas mixture can then give off further heat via further heat exchangers 40 or via ammonia coolers 40A, so that a mixture of ammonia and / or water can then be separated in separator 30. The separated water / ammonia mixture can then be removed from the system via the discharge line 30A. The reducing gas mixture containing hydrogen and nitrogen can then be used again
Kompressor 25 zugeführt werden, um in einem weiteren Zyklus zur Reduktion der Compressor 25 are fed to in a further cycle to reduce the
Eisenoxide eingesetzt zu werden. Iron oxides to be used.
In Abhängigkeit der von dem NDIR-Sensor 5 ermittelten Konzentrationen von Wasser und/oder Ammoniak im System kann die Flussrate des reduzierenden Gases und/oder die Aufheizrate entsprechend eingestellt werden, sodass während der Reduktion die Depending on the concentrations of water and / or ammonia in the system determined by the NDIR sensor 5, the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate can be set accordingly, so that the
Konzentration des gebildeten Wassers sich innerhalb eines Bereichs um einen bestimmten Grenzwert bewegt. Weiterhin kann mittels des NDIR-Sensors 5 auch die Temperatur im Separator 30 so eingestellt werden, so dass es nicht zum Ausfrieren von Ammoniak kommt, was den Betrieb des Separators beeinträchtigen würde. Figur 2 zeigt ein Fließschema für die nach der Wasserbestimmung mittels eines NDIR- Sensors nachfolgenden Vorgänge und Teilschritte. Der Grenzwert für die Konzentration an Wasser in der Gasphase kann in dieser Ausführungsform beispielsweise bei 3000 ppmv und der Bereich um den Grenzwert bei ±200 ppmv liegen. Beginnend mit den mit Bezugszeichen 80, 81 versehenen Elementen wird zuerst der mittels NDIR ermittelte Wassergehalt am Analysator der Reaktor-Anlage abgelesen und der Wert mit dem Grenzwert verglichen. Je nach Ergebnis des Vergleichs ergeben sich dann drei verschiedene Teilschritte (C1 ), (C2) oder (C3). Falls festgestellt wird, dass der gemessene Wert mehr als 200 ppmv über dem Grenzwert liegt, wird in einem Verfahrensschritt (C2) die Flussrate erhöht bzw. die Fleizrate erniedrigt (82A). Somit kann die Konzentration des gebildeten Wassers in der Gasphase entweder dadurch erniedrigt werden, dass eine höhere Flussrate eingestellt wird, was zu einer schnelleren Verdünnung der Wasserkonzentration in der Gasphase führt oder die Reduktion wird durch Flerabsetzen der Fleizrate erniedrigt. Wird festgestellt, dass der gemessene Wert mehr als 200 ppmv unterhalb des Grenzwerts liegt, so wird der The concentration of the water formed is within a range around a certain limit value. Furthermore, the temperature in the separator 30 can also be adjusted by means of the NDIR sensor 5 so that ammonia does not freeze out, which would impair the operation of the separator. FIG. 2 shows a flow diagram for the processes and partial steps that follow after the water determination by means of an NDIR sensor. In this embodiment, the limit value for the concentration of water in the gas phase can be, for example, 3000 ppmv and the range around the limit value can be ± 200 ppmv. Starting with the elements provided with the reference numerals 80, 81, the water content determined by means of NDIR is first read off on the analyzer of the reactor system and the value is compared with the limit value. Depending on the result of the comparison, there are then three different sub-steps (C1), (C2) or (C3). If it is determined that the measured value is more than 200 ppmv above the limit value, the flow rate is increased or the meat rate is decreased (82A) in a method step (C2). Thus, the concentration of the water formed in the gas phase can either be reduced by setting a higher flow rate, which leads to a more rapid dilution of the water concentration in the gas phase, or the reduction is lowered by lowering the meat rate. If it is determined that the measured value is more than 200 ppmv below the limit value, the
Reduktionsstatus im Katalysatorbett des Reaktors geprüft (82B), was beispielsweise über die Bestimmung der Temperatur des Katalysatorbetts erfolgen kann bzw. wenn das Checked the reduction status in the catalyst bed of the reactor (82B), which can be done, for example, by determining the temperature of the catalyst bed or if the
reduzierende Gas Stickstoff und Wasserstoff enthält über die Ammoniakkonzentration in der Gasphase erfolgt. Zur Temperaturmessung können am Ein- und Ausgang der Katalysator betten Temperatursensoren vorhanden sein. Die Reduktion eines Katalysatorbetts kann als vollständig betrachtet werden, wenn die Ammoniakkonzentration bei konstantem Druck und Temperatur nicht weiter ansteigt. Falls festgestellt wird, dass die Reduktion im reducing gas contains nitrogen and hydrogen via the ammonia concentration takes place in the gas phase. For temperature measurement, temperature sensors can be present at the inlet and outlet of the catalyst beds. The reduction of a catalyst bed can be regarded as complete when the ammonia concentration does not increase further at constant pressure and temperature. If it is found that the reduction in
Katalysatorbett noch nicht beendet ist, kann dann in einem Verfahrensschritt (C1 ) die Fleizrate erhöht werden (83B). Sollte festgestellt werden, dass die Konzentration an Wasser in der Gasphase innerhalb eines Bereichs von ± 200 ppmv um den Grenzwert liegt, so kann in einem Teilschritt (C3) die Flussrate und/oder die Fleizrate beibehalten werden (82C). If the catalyst bed has not yet ended, the meat rate can then be increased in a process step (C1) (83B). If it is found that the concentration of water in the gas phase is within a range of ± 200 ppmv around the limit value, the flow rate and / or the meat rate can be maintained in a partial step (C3) (82C).
Sollte festgestellt werden, dass die Reduktion der Eisenoxide in einem Katalysatorbett bereits komplett erfolgt ist, kann überprüft werden, ob es noch weitere Katalysatorbetten mit zu reduzierenden Eisenoxiden im Reaktor gibt (83A). Falls dies nicht der Fall ist, ist die Reduktion beendet (84) bzw. falls es weitere Katalysatorbetten gibt, kann die If it is found that the reduction of the iron oxides in a catalyst bed has already taken place completely, it can be checked whether there are further catalyst beds with iron oxides to be reduced in the reactor (83A). If this is not the case, the reduction is ended (84) or if there are further catalyst beds, the
Eintrittstemperatur des nachfolgenden Bettes durch Schließen eines Ventils erhöht werden, um mit der Reduktion des nächsten Katalysatorbetts zu beginnen (85). Die Fleizrate kann durch Verstellen des Regelventils eingestellt werden. The inlet temperature of the subsequent bed can be increased by closing a valve in order to start the reduction of the next catalyst bed (85). The meat rate can be adjusted by adjusting the control valve.
Figur 3 zeigt in einem Fließschema die nach der Bestimmung des Ammoniaks anfallenden Vorgänge und Teilschritte. Dazu wird in einem ersten Schritt (90) die Konzentration an Ammoniak in der Gasphase bestimmt und anschließend in Abhängigkeit von den Verfahrensparametern, wie Druck, Wassergehalt in der Gasphase und Temperatur der jeweils vorliegende Gefrierpunkt der wässrigen Ammoniaklösung berechnet (91 ). FIG. 3 shows in a flow diagram the processes and partial steps occurring after the determination of the ammonia. For this purpose, the concentration is activated in a first step (90) Ammonia is determined in the gas phase and then depending on the process parameters such as pressure, water content in the gas phase and temperature, the freezing point of the aqueous ammonia solution present is calculated (91).
Anschließend wird die Temperatur der Kühlvorrichtung mit dem berechneten Gefrierpunkt der wässrigen Ammoniaklösung verglichen (92) und in Abhängigkeit von dem Ergebnis verschiedene Teilschritte vorgenommen. Die Teilverfahrensschritte können insbesondere ein Verfahrensschritt (C4) sein, bei dem die Temperatur der Kühlvorrichtung erhöht wird, falls die Temperatur der Kühlvorrichtung um weniger als 5 K über dem berechneten Gefrierpunkt der wässrigen Ammoniaklösung liegt (92B). Weiterhin besteht die Möglichkeit die Temperatur der Kühlvorrichtung in einem Verfahrensschritt (C5) weiter zu erniedrigen falls die The temperature of the cooling device is then compared with the calculated freezing point of the aqueous ammonia solution (92) and various partial steps are carried out depending on the result. The partial method steps can in particular be a method step (C4) in which the temperature of the cooling device is increased if the temperature of the cooling device is less than 5 K above the calculated freezing point of the aqueous ammonia solution (92B). There is also the possibility of further lowering the temperature of the cooling device in a method step (C5) if the
Kühlertemperatur um mehr als 10 K oberhalb des berechneten Gefrierpunkts der wässrigen Ammoniaklösung liegt. Dabei wird zunächst festgestellt, ob es die Anlage erlaubt, die Temperatur des Kühlers weiter zu erniedrigen (92C). Viele Anlagen erlauben, insbesondere wenn die Kühlertemperatur bereits bei -20 °C liegt, kein weiteres Absinken der The cooler temperature is more than 10 K above the calculated freezing point of the aqueous ammonia solution. It is first determined whether the system allows the temperature of the cooler to be lowered further (92C). Many systems do not allow the temperature to drop any further, especially when the cooler temperature is already at -20 ° C
Kühlertemperatur. Je nachdem ob ein weiteres Absenken möglich ist, wird dann entweder die Kühlertemperatur weiter abgesenkt (92D) oder werden die Betriebsparameter Cooler temperature. Depending on whether a further reduction is possible, either the cooler temperature is then reduced further (92D) or the operating parameters are changed
beibehalten (92E). Ein derartiges in Figur 3 dargestelltes Verfahren mit den entsprechenden Teilschritten ermöglicht es besonders zuverlässig Wasser und/oder Ammoniak aus der Gasphase zu kondensieren und dabei gleichzeitig ein Einfrieren der Kühlvorrichtung zu verhindern. Liegt die Kühlertemperatur in einem Bereich von 5 bis 10 °C oberhalb des Gefrierpunkts der wässrigen Ammoniaklösung, kann die Kühlertemperatur beibehalten werden (92A). retained (92E). Such a method shown in FIG. 3 with the corresponding sub-steps makes it possible to condense water and / or ammonia from the gas phase in a particularly reliable manner and at the same time to prevent the cooling device from freezing. If the cooler temperature is in a range of 5 to 10 ° C above the freezing point of the aqueous ammonia solution, the cooler temperature can be maintained (92A).
Figur 4 zeigt in einem Diagramm den experimentell ermittelten Temperaturverlauf und den experimentell ermittelten Wassergehalt in Volumen % in der Gasphase bei einer Reduktion von Eisenoxiden mit einem Synthesegas, das 76,5 % Wasserstoff, 22,5 % Stickstoff und 10 % Argon (jeweils Volumen %) enthält. Die Eisenoxide wurden unterschiedlich lang bei verschiedenen Flussraten des Synthesegases reduziert, wobei durch Erhöhung der Figure 4 shows in a diagram the experimentally determined temperature profile and the experimentally determined water content in volume% in the gas phase with a reduction of iron oxides with a synthesis gas that contains 76.5% hydrogen, 22.5% nitrogen and 10% argon (each volume% ) contains. The iron oxides were reduced for different times at different flow rates of the synthesis gas, whereby by increasing the
Flussrate der Wassergehalt in der Gasphase reduziert werden kann. Die mit 100 Flow rate of the water content in the gas phase can be reduced. The one with 100
bezeichnete Kurve zeigt dabei den Verlauf des Wassergehalts in Abhängigkeit von der Temperatur bei einer Reduktion über 25 Stunden und einer Flussrate von 250 l/h. Die mit 101 bezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der Wasserkonzentration in der Gasphase bei einer 30-stündigen Reduktion mit einer Flussrate von 400 l/h. Der Verlauf der The curve designated here shows the course of the water content as a function of the temperature with a reduction over 25 hours and a flow rate of 250 l / h. The curve labeled 101 shows the course of the water concentration in the gas phase with a 30-hour reduction with a flow rate of 400 l / h. The course of the
Wasserkonzentration für eine 30-stündige Reduktion mit einer Flussrate von 400 l/h wird durch die mit 102 bezeichnete Kurve gekennzeichnet. Eine weitere Reduktion über einen Zeitraum von 40 Stunden mit einer Flussrate von 1200 l/h wurde ebenfalls durchgeführt (mit 103 bezeichnete Kurve). Deutlich ist zu erkennen, dass mit steigender Flussrate die Konzentration des Wassers aufgrund des Verdünnungseffekts durch neu nachkommendes Gas abnimmt, aber andererseits der Zeitraum, der für die Reduktion benötigt wird, zunimmt. Figur 4 zeigt auch, dass durch die Zunahme der Flussrate die maximale Konzentration des gebildeten Wassers von sehr hohen Werten von etwa 12000 ppmv bei einer Flussrate von 250 l/h sukzessive gesenkt werden kann, sodass bei einer Flussrate von 1200 l/h schließlich Konzentrationen an gebildetem Wasser von unter 1500 ppmv erreicht werden, die die katalytische Aktivität der gebildeten Katalysatoren oder Katalysatorvorgänger nicht mehr beeinträchtigen. The water concentration for a 30-hour reduction with a flow rate of 400 l / h is characterized by the curve labeled 102. A further reduction over a period of 40 hours with a flow rate of 1200 l / h was also carried out (curve labeled 103). It can be clearly seen that with increasing flow rate the The concentration of the water decreases due to the dilution effect caused by newly emerging gas, but on the other hand the period of time required for the reduction increases. FIG. 4 also shows that by increasing the flow rate, the maximum concentration of the water formed can be successively reduced from very high values of around 12000 ppmv at a flow rate of 250 l / h, so that concentrations finally increase at a flow rate of 1200 l / h formed water of less than 1500 ppmv can be achieved, which no longer impair the catalytic activity of the catalysts or catalyst precursors formed.
Figur 5 zeigt die experimentell ermittelte katalytische Aktivität von sechs verschiedenen Katalysatoren auf Basis von Wüstit, die während der Reduktion unterschiedlichen FIG. 5 shows the experimentally determined catalytic activity of six different catalysts based on Wustite, which differ during the reduction
Wassergehalten von unter 2000 ppmv bis 8000 ppmv ausgesetzt wurden. Deutlich ist zu erkennen, dass mit zunehmendem Wassergehalt, insbesondere ab einem Grenzwert von etwa 4000 ppmv, die katalytische Aktivität um etwa 5 % bis 10 % abnimmt. Water levels below 2000 ppmv to 8000 ppmv have been exposed. It can be clearly seen that with increasing water content, in particular from a limit value of about 4000 ppmv, the catalytic activity decreases by about 5% to 10%.
Figur 6 zeigt den Verlauf der Wasserkonzentration (mit 1 10 bezeichnete Kurve) in der Gasphase am Reaktorausgang in ppmv und den Temperaturverlauf (mit 120 bezeichnete Kurve) über einen gewissen Zeitraum t. Die Wasserkonzentration wurde mittels eines NDIR- Sensors gemessen. Reduziert wurden Eisenoxide auf der Basis von Wüstit bei einem Druck von 90 bar in einer Wasserstoff-haltigen Atmosphäre bei einer Flussrate von 1200 NL/h (NL= Normliter (Volumen bei 1013,25 mbar und 0°C)). Deutlich ist zu erkennen, dass zu Beginn der Reduktion die Temperaturen und der Wassergehalt in der Gasphase noch relativ niedrig sind und mit zunehmender Zeit aufgrund der zunehmenden Temperatur die FIG. 6 shows the course of the water concentration (curve labeled 110) in the gas phase at the reactor outlet in ppmv and the temperature curve (curve labeled 120) over a certain period t. The water concentration was measured by means of an NDIR sensor. Iron oxides based on Wustite were reduced at a pressure of 90 bar in a hydrogen-containing atmosphere at a flow rate of 1200 NL / h (NL = standard liters (volume at 1013.25 mbar and 0 ° C)). It can be clearly seen that at the beginning of the reduction the temperatures and the water content in the gas phase are still relatively low and, with increasing time, due to the increasing temperature
Reduktionsrate ansteigt, was zu einem höheren Wassergehalt am Reaktorausgang führt. Schließlich wird ein Maximum des Wassergehalts erreicht, wobei dann aufgrund der abnehmenden Reduktionrate der Wassergehalt am Reaktorausgang wieder abnimmt. Reduction rate increases, which leads to a higher water content at the reactor outlet. Finally, a maximum of the water content is reached, the water content then decreasing again at the reactor outlet due to the decreasing reduction rate.
Deutlich ist zu erkennen, dass bei der Reduktion von Wüstiten Wassergehalte in der It can be clearly seen that the water content in the
Gasphase von mehr als 3000 ppmv bzw. mehr als 3500 ppmv gemessen werden können. Derart hohe Wassergehalte können durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Aktivierung von Eisenoxiden effektiv verhindert werden. Gas phase of more than 3000 ppmv or more than 3500 ppmv can be measured. Such high water contents can be effectively prevented by a method according to the invention for activating iron oxides.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von The invention is not restricted by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses any new feature and any combination of
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Features, which in particular includes any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the claims or exemplary embodiments.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Aktivierung von Katalysatoren und Katalysatorvorgängern zur 1. Process for activating catalysts and catalyst precursors for
Ammoniaksynthese, umfassend die Verfahrensschritte: Ammonia synthesis, comprising the process steps:
(A) Eisenoxide werden zur Aktivierung der Katalysatoren unter Verwendung (A) Iron oxides are being used to activate the catalysts
zumindest eines reduzierenden Gases und mittels Aufheizens reduziert, at least one reducing gas and reduced by means of heating,
(B) die Konzentration des während der Reduktion in der Gasphase gebildeten (B) the concentration of that formed during the reduction in the gas phase
Wassers wird mittels nicht-dispersiver Infrarotspektroskopie (NDIR) gemessen, und Water is measured using non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR), and
(C) die Flussrate des reduzierenden Gases und/oder die Aufheizrate werden in (C) the flow rate of the reducing gas and / or the heating rate are in
Abhängigkeit von der Konzentration des gebildeten Wassers eingestellt. Adjusted depending on the concentration of the water formed.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei im Verfahrensschritt (C) die im Verfahrensschritt (B) ermittelte Konzentration des Wassers mit einem vorgegebenen Grenzwert für Wasser verglichen wird. 2. The method according to claim 1, wherein in method step (C) the concentration of the water determined in method step (B) is compared with a predetermined limit value for water.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Verfahrensschritt (C) zumindest eine der 3. The method according to claim 2, wherein in step (C) at least one of the
folgenden Teilschritte durchgeführt wird: the following partial steps are carried out:
(C1 ) die Aufheizrate wird erhöht, wenn die im Verfahrensschritt (B) ermittelte (C1) the heating rate is increased if that determined in method step (B)
Konzentration an Wasser unterhalb eines Bereichs um den vorgegebenen Grenzwert liegt, oder The concentration of water is below a range around the specified limit value, or
(C2) die Flussrate wird erhöht und/oder die Aufheizrate wird erniedrigt, wenn die im Verfahrensschritt (B) ermittelte Konzentration an Wasser oberhalb eines Bereichs um den vorgegebenen Grenzwert liegt, oder (C2) the flow rate is increased and / or the heating rate is decreased if the concentration of water determined in method step (B) is above a range around the predetermined limit value, or
(C3) die Flussrate und/oder die Aufheizrate wird beibehalten, wenn die im (C3) the flow rate and / or the heating rate is maintained if the im
Verfahrensschritt (B) ermittelte Konzentration an Wasser innerhalb eines Process step (B) determined concentration of water within a
Bereichs um den vorgegebenen Grenzwert liegt. Range is around the specified limit value.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Grenzwert ausgewählt ist aus einem Bereich zwischen 3000 ppmv bis 4000 ppmv, und bevorzugt 3400 ppmv, weiter bevorzugt 3200 ppmv, noch bevorzugter 3000 ppmv ist. 4. The method according to any one of claims 2 or 3, wherein the limit value is selected from a range between 3000 ppmv to 4000 ppmv, and preferably 3400 ppmv, more preferably 3200 ppmv, even more preferably 3000 ppmv.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, wobei der Bereich um den 5. The method according to any one of claims 2, 3 or 4, wherein the area around the
Grenzwert herum ausgewählt ist aus einer Gruppe von Bereichen bestehend aus: Limit around is selected from a group of ranges consisting of:
±1000 ppmv, ±800 ppmv, ±600 ppmv, ±400 ppmv, ±300 ppmv oder ±200 ppmv, wobei der Bereich bevorzugt bei ±300 ppmv, weiter bevorzugt ±200 ppmv liegt. ± 1000 ppmv, ± 800 ppmv, ± 600 ppmv, ± 400 ppmv, ± 300 ppmv or ± 200 ppmv, the range preferably being ± 300 ppmv, more preferably ± 200 ppmv.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 , 2, 3, 4 oder 5, wobei die Verfahrensschritte (A), (B) und (C) kontinuierlich durchgeführt werden. 6. The method according to any one of claims 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the process steps (A), (B) and (C) are carried out continuously.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Messung des während der Reduktion gebildeten Wassers im Verfahrensschritt (B) in Echtzeit erfolgt. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the measurement of the water formed during the reduction in process step (B) takes place in real time.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Verfahrensschritt (B) die Konzentration des während der Reduktion gebildeten Wassers in einem 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein in step (B) the concentration of the water formed during the reduction in one
Wellenlängenbereich von 2,6 bis 3 gm, bevorzugt 2,7 bis 2,8 gm, weiter bevorzugt bei 2,7 pm gemessen wird. Wavelength range of 2.6 to 3 gm, preferably 2.7 to 2.8 gm, more preferably 2.7 pm is measured.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im Verfahrensschritt (A) eine Mischung umfassend Wasserstoff und Stickstoff als reduzierendes Gas verwendet wird und während der Reduktion der Katalysatoren Ammoniak gebildet wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein in process step (A) a mixture comprising hydrogen and nitrogen is used as the reducing gas and ammonia is formed during the reduction of the catalysts.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei im Verfahrensschritt (B) zur Messung des gebildeten Wassers ein NDIR-Gerät verwendet wird, bei dem im Wellenlängenbereich von 2,6 pm bis 3 pm Absorptionsbanden von Ammoniak mittels einer Kalibrierung herausgerechnet sind. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein in method step (B) for measuring the water formed, an NDIR device is used in which absorption bands of ammonia are calculated out by means of a calibration in the wavelength range from 2.6 pm to 3 pm.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im Verfahrensschritt (B) die Konzentration des im Verlauf der Reduktion gebildeten Ammoniaks mittels NDIR bestimmt wird. 1 1. Process according to one of Claims 1 to 10, the concentration of the ammonia formed in the course of the reduction being determined by means of NDIR in process step (B).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei im Verlauf der Reduktion 12. The method according to any one of claims 1 to 1 1, wherein in the course of the reduction
gebildetes Ammoniak und/oder Wasser mittels eines Kühlers kondensiert wird. ammonia and / or water formed is condensed by means of a cooler.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei im Verfahrensschritt (C) die Temperatur des Kühlers so eingestellt wird, dass die Temperatur wenigstens um 10 K, bevorzugt wenigstens 5 K über dem Gefrierpunkt der wässrigen Ammoniaklösung liegt. 13. The method according to claim 12, wherein in method step (C) the temperature of the cooler is set so that the temperature is at least 10 K, preferably at least 5 K above the freezing point of the aqueous ammonia solution.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei als Eisenoxide Magnetit oder Wüstit oder eine Kombination davon, bevorzugt Wüstit verwendet wird. 14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein magnetite or wustite or a combination thereof, preferably wüstite, is used as iron oxides.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Temperatur im 15. The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the temperature im
Verfahrensschritt (A) auf eine Temperatur im Bereich von 360 °C bis 450 °C, bevorzugt im Bereich von 370 °C bis 400 °C eingestellt wird. Process step (A) is set to a temperature in the range from 360 ° C to 450 ° C, preferably in the range from 370 ° C to 400 ° C.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Verfahrensschritt (A) Wüstit als Eisenoxid verwendet wird und auf eine Temperatur im Bereich von 370 °C bis 400 °C aufgeheizt wird. 16. The method according to claim 14, wherein in process step (A) wustite is used as iron oxide and is heated to a temperature in the range from 370 ° C to 400 ° C.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei im Verfahrensschritt (B) eine Mischung umfassend Wasserstoff und Stickstoff als reduzierendes Gas verwendet wird und während der Reduktion eine wässrige Ammoniaklösung auskondensiert wird. 17. The method according to any one of claims 1 to 16, wherein in method step (B) a mixture comprising hydrogen and nitrogen is used as the reducing gas and an aqueous ammonia solution is condensed out during the reduction.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zusätzlich umfassend den 18. The method according to any one of claims 1 to 17, additionally comprising the
Verfahrensschritt (D), wobei die Katalysatoren und/oder Katalysator Vorgänger aus dem Verfahrensschritt (C) einem oxidierenden Gas zur Bildung einer Schutzschicht auf den Katalysatoren und/oder Katalysatorvorgängern ausgesetzt werden. Process step (D), wherein the catalysts and / or catalyst precursors from process step (C) are exposed to an oxidizing gas to form a protective layer on the catalysts and / or catalyst precursors.
19. Verwendung eines NDIR-Detektors zur Bestimmung der Konzentration des Wassers, das sich während der Reduktion von Eisenoxiden bei der Aktivierung von 19. Use of an NDIR detector to determine the concentration of water that occurs during the reduction of iron oxides when activating
Katalysatoren und Katalysatorvorgängern für die Ammoniaksynthese bildet. Forms catalysts and catalyst precursors for the synthesis of ammonia.
20. Verwendung nach Anspruch 19, wobei die Reduktion mittels zumindest eines 20. Use according to claim 19, wherein the reduction by means of at least one
reduzierenden Gases erfolgt, und die Flussrate und/oder die Aufheizrate des reduzierenden Gases in Abhängigkeit von der Konzentration des gebildeten Wassers eingestellt werden. reducing gas takes place, and the flow rate and / or the heating rate of the reducing gas can be adjusted depending on the concentration of the water formed.
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