EP4698311A1 - Konverter für die ammoniaksynthese - Google Patents

Konverter für die ammoniaksynthese

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EP4698311A1
EP4698311A1 EP24720511.5A EP24720511A EP4698311A1 EP 4698311 A1 EP4698311 A1 EP 4698311A1 EP 24720511 A EP24720511 A EP 24720511A EP 4698311 A1 EP4698311 A1 EP 4698311A1
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EP
European Patent Office
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region
converter
heat exchanger
catalyst bed
gas mixture
Prior art date
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Pending
Application number
EP24720511.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus PFUDEL
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Uhde GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE102023110058.0A external-priority patent/DE102023110058A1/de
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Uhde GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J8/0469—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds the flow within the beds being predominantly vertical in two or more cylindrical annular shaped beds the beds being superimposed one above the other
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    • B01J8/0496—Heating or cooling the reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
    • C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
    • C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
    • C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis
    • C01C1/0405—Preparation of ammonia by synthesis from N2 and H2 in presence of a catalyst
    • C01C1/0417—Preparation of ammonia by synthesis from N2 and H2 in presence of a catalyst characterised by the synthesis reactor, e.g. arrangement of catalyst beds and heat exchangers in the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00168—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles
    • B01J2208/00194—Tubes

Definitions

  • the invention relates to a converter for ammonia synthesis.
  • Ammonia synthesis has been carried out in principle for about a century using the Haber-Bosch process.
  • nitrogen and hydrogen are converted to ammonia over a catalyst at high pressure and high temperature. Since this is an equilibrium reaction, the high pressure shifts the equilibrium towards the product ammonia.
  • a high temperature shifts the equilibrium towards the reactants hydrogen and nitrogen.
  • a high temperature is required in order to have a sufficient reaction rate.
  • the heat generated during the reaction heats up the reaction mixture further.
  • Ammonia synthesis is therefore often carried out in two or more stages, with the heat generated between the stages being dissipated via a heat exchanger. This maintains the temperature necessary for the kinetics, but avoids a temperature that is too high and thus a shift in the equilibrium towards the reactants.
  • Today's reactors for ammonia synthesis are designed in such a way that they have a pressure-bearing container.
  • the pressure-bearing container also called converter housing
  • the reaction mentioned thus takes place in the cartridge.
  • the cartridge can in particular be thermally insulated.
  • a heat exchanger can also be arranged in a cartridge.
  • Two or more cartridges can also be arranged within a converter housing. If the converter has two cartridges, for example, a first cartridge is arranged in a first area and a second cartridge in a second area, with the first area usually being arranged above the second area.
  • the first cartridge in the first area usually has a heat exchanger in order to dissipate the reaction heat generated during the reaction of the gas mixture in the catalyst of the first cartridge.
  • a heat exchanger is arranged centrally in the longitudinal direction, extending over the length of the first area, in which the gas mixture flowing out of the catalyst beds exchanges the heat in the catalyst beds is heated. The heat generated during the reaction is thus used to bring the new gas mixture to the reaction temperature.
  • the reactant gas mixture is directed towards the inlet of the first region, while the product gas mixture at the end of the heat exchanger in the first region is led to the inlet of the second region.
  • the reactant gas mixture is guided on the outside and thus distributed on the outside of the converter over the length of the first region. From there, the reactant gas passes through a radially arranged annular catalyst to the first heat exchanger, which is arranged in the middle inside the catalyst of the first cartridge. In the first heat exchanger, the partially converted semi-product gas mixture gives off the heat generated by the reaction in the catalyst of the first cartridge to the cooler reactant gas mixture and preheats the reactant gas mixture. The semi-product gas mixture is guided radially outwards at the end of the first region and distributed on the outside of the converter over the length of the second region. From there, the product gas mixture is passed through a radially extending catalyst of the second cartridge.
  • an axially extending tube is arranged inside the hollow cylinder.
  • This tube - spaced from the inside of the catalyst by an annular gap - reaches almost to the end of the second region facing the first region and merges into an outlet at the end of the second region opposite the first region. In doing so, it leads the product gas flow emerging from the inside of the catalyst of the second cartridge via the annular gap on the outside of this tube back to the end of the second region adjacent to the first region, where it enters the interior of the tube and is then led out of the reactor through the tube.
  • This results in an average Z-shaped flow in the second region (the flow along the lateral surfaces and through the catalyst having a U-shape).
  • the semi-product gas mixture can be passed through suitable perforated plates, for example, so that the flow through the catalyst bed in the second region is as homogeneous as possible over its length and thus regions with excessively high gas velocities (and thus too short conversion times) are avoided.
  • suitable perforated plates for example, so that the flow through the catalyst bed in the second region is as homogeneous as possible over its length and thus regions with excessively high gas velocities (and thus too short conversion times) are avoided.
  • the object of the invention is to provide a converter with the highest possible catalyst loading.
  • the converter according to the invention is used to synthesize ammonia from nitrogen and hydrogen.
  • the converter has a converter housing.
  • the converter housing has an inlet for the reactant gas mixture. Hydrogen and nitrogen are usually supplied via this in a ratio of 3:1.
  • the converter housing also has an outlet for the product gas mixture. The mixture of nitrogen, hydrogen and ammonia is discharged here.
  • the converter has a first region and a second region inside the converter housing.
  • a first catalyst bed is arranged in the first region and a second catalyst bed is arranged in the second region, wherein in particular the end of the first catalyst bed which faces the second catalyst bed or a base at this end of the first catalyst bed can represent an end of the first region, and wherein in particular the end of the second catalyst bed which faces the first catalyst bed or a base at this end of the second catalyst bed can represent an end of the second region.
  • the first catalyst bed and the second catalyst bed are each designed radially in the form of a hollow cylinder and are arranged in such a way that the flow can pass through them from the outside to the inside (a small proportion of the respective reactant can also flow into the catalyst beds via the annular cover surfaces of the hollow cylinders, provided that these cover surfaces are not covered by a sealing base).
  • a reactant gas mixture distribution is provided between the converter housing and the first catalyst bed. arranged, and a semi-product gas mixture distribution is arranged between the converter housing and the second catalyst bed.
  • the reactant gas mixture distribution and the semi-product gas mixture distribution can simply be designed as gaps (in particular annular gaps) radially surrounding the catalyst beds between the converter housing and the catalyst beds.
  • a heat exchanger is arranged inside the first catalyst bed, more precisely in the interior which is not filled with catalyst (core of the hollow cylinder). Alternatively, one could also say that the heat exchanger is arranged in the inner region surrounded by the first catalyst bed.
  • the heat exchanger has a first side (first heat exchanger space) for the reactant gas mixture and a second side (second heat exchanger space) for the semi-product gas mixture.
  • the first side of the heat exchanger is connected to the inlet at its beginning.
  • the mixture of nitrogen and hydrogen freshly fed to the converter thus first goes directly into the heat exchanger.
  • heat is transferred from the second side of the heat exchanger to the reactants located on the first side of the heat exchanger.
  • the first side of the heat exchanger is connected at the end to a first deflection device, and the first deflection device connects the end of the first side of the heat exchanger to the reactant gas mixture distribution.
  • the second side of the heat exchanger is arranged in such a way that the semi-product gas mixture emerging from the first catalyst flows through the second side of the heat exchanger. This allows the heat released by the chemical reaction to be transferred to the incoming reactants and to heat them (preheat them).
  • the semi-product gas mixture for the second reaction stage is cooled again in the second area, shifting the equilibrium towards the ammonia product, but maintaining a sufficiently high temperature for good kinetics.
  • the second side of the heat exchanger is connected to a second deflection device, and the second deflection device connects the second side of the heat exchanger to the semi-product gas mixture distribution.
  • the heat exchanger has a primary line.
  • the primary line runs centrally from the inlet to the end of the first area adjacent to the second area (the primary line therefore ends in particular in the first area at an end point of the first area, i.e. directly at its outer boundary, or in a End region of the first region, which extends within the first region near the outer boundary of the first region).
  • a distributor head is arranged at the end of the primary line adjacent to the second region.
  • the heat exchanger also has a plurality of secondary lines. The secondary lines are connected to the distributor head and the first deflection device. The distributor head serves in particular to deflect the reactant gas flow from the one primary line (in the opposite direction) and to divide it between the plurality of secondary lines.
  • the secondary lines run parallel to the primary line and are arranged around the primary line.
  • the secondary lines are embedded in the second side of the heat exchanger and are surrounded by it, so that the semi-product gas mixture flows around the secondary lines in countercurrent.
  • the secondary lines have a much larger surface area in total and thus contribute much more to the heat transfer in the heat exchanger than the outside of the primary tube. This means that the majority of the heat transfer in the heat exchanger takes place through the secondary line. This simplifies the gas flow inside the first catalyst bed.
  • a countercurrent heat exchanger is achieved in a simple and, above all, compact design.
  • the distributor head protrudes into the second region; this can mean in particular that the distributor head can protrude into the second catalyst bed there.
  • the arrangement of the distributor head which is intended to connect the primary line and secondary lines, protrudes into the second region, avoids an unnecessarily large gap between the first region and the second region for receiving the distributor head, and thus more catalyst can be arranged in the converter, which in turn enables a higher throughput.
  • the second region in particular in particular the second catalyst bed in the second region
  • the distributor head of the heat exchanger is introduced through the recess into the extension of the second catalyst bed, so that the free space between the first catalyst bed and the second catalyst bed can be reduced and a particularly compact design is achieved without that the reduction in the volume of the catalyst bed at the end significantly impairs the conversion, since it is precisely at this point that the catalyst material in the catalyst bed is arranged in a less effective manner in terms of flow and thus contributes less to the overall conversion, so that a recess at this point is associated with minor losses in conversion.
  • the second region (in particular the second catalyst bed in the second region) has a conical recess for receiving the distributor head, for example a tapered recess whose shape is derived from the shape of a cone and whose widest region is arranged at the end of the catalyst bed that faces the first region.
  • the conical recess can also have the shape of a truncated cone, with the top surface of the truncated cone corresponding in particular to the catalyst-free inner region of the second region.
  • the truncated cone can additionally have a cylindrical extension at the wide end. This conical recess makes it easy to manufacture this, and on the other hand, the distributor head can be accommodated very well in a space-saving manner.
  • the first region has a first base.
  • the second region has a second base.
  • the second deflection device is arranged between the first base and the second base.
  • a spacer element is also arranged between the first base and the second base. The spacer element serves to prevent or at least reduce excessive bending, in particular of the second base. This is possible in particular due to the different expansion coefficients between the catalyst and the material of the structure.
  • the spacer element can be designed as a screw element, for example, in order to be able to easily adjust the length of the distance during installation.
  • the distributor head has the shape of a spherical segment.
  • the second catalyst bed has a gas flow distribution device in the form of a layer that closes the surface and has openings (continuous recesses, perforations).
  • the openings of the gas flow distribution device have different sizes, the size of the openings of the gas flow distribution device being selected depending on the distance from the first area. The openings are largest adjacent to the first area and become smaller with increasing distance from the first area. This makes it possible, particularly when the gas flow distribution device is arranged in the interior of the catalyst bed hollow cylinder, to achieve a radial velocity that is uniform over the height of the catalyst bed hollow cylinder, i.e.
  • the flow of the semi-product gas mixture is specifically uniformed so that the product gas stream emerging from the second catalyst bed is guided directly to the outlet. Therefore, an axially arranged tube inside the second catalyst bed can be dispensed with, which means that the interior area that is not filled with catalyst can be smaller, so that more catalyst can be introduced into the converter.
  • the size of the openings of the gas flow distribution device is changed linearly with the distance to the first region.
  • the gas flow distribution device is arranged on the inside of the second catalyst bed (i.e. on the inner surface of the hollow cylinder).
  • the gas flow distribution device is arranged on the outside of the second catalyst bed (i.e. on the outer surface of the hollow cylinder). The embodiment on the outside is preferred because this evens out the flow before the second catalyst bed.
  • the heat exchanger has a primary line.
  • the primary line runs centrally from the inlet to the end of the first area adjacent to the second area.
  • a distributor head is arranged at the end of the primary line adjacent to the second area.
  • the heat exchanger also has a plurality of secondary lines.
  • the secondary lines are connected to the distributor head and the first deflection device.
  • the secondary lines run parallel to the primary line and are arranged around the primary line. Accordingly, the secondary lines have a much larger surface area and thus contribute much more to the heat transfer in the heat exchanger. This simplifies the gas flow inside the first catalyst bed.
  • a countercurrent heat exchanger is achieved in a simple and, above all, compact design.
  • the heat exchanger has guide plates for the semi-product gas mixture on the second side. This allows the guidance of the semi-product gas mixture to be optimized for heat transfer, which in turn enables a more compact design and thus more catalyst.
  • Fig. 1 shows a converter 10 according to the invention.
  • the arrows each show the approximate flow direction of the gas mixture.
  • the converter 10 has a converter housing 12 which encloses everything and is designed to be pressure-resistant in accordance with the operating conditions.
  • a reactant gas mixture of nitrogen and hydrogen is fed through the inlet 14 and guided through the primary line 82 of the heat exchanger 80 to the distributor head 84 of the heat exchanger 80.
  • the distributor head 84 the reactant gas flow is distributed and diverted to several secondary lines 86.
  • the reactant gas mixture can absorb heat from the semi-product gas mixture on the second side 88 of the heat exchanger 80.
  • the reactant gas mixture heated in this way is guided from the secondary lines 86 via the first deflection device 90 into the reactant gas mixture distribution 60, which radially surrounds the first catalyst bed 40 and thus supplies the reactant gas mixture to the entire surface of the first catalyst bed 40.
  • the reactant gas mixture reacts in the first catalyst bed 40 partially/at least partly to form ammonia and is heated by the heat of reaction released.
  • the semi-product gas mixture thus produced passes from the first catalyst bed 40 into the second side 88 of the heat exchanger 80, and flows around the secondary lines 86, giving off the heat generated to the reactant gas mixture in the secondary lines 86.
  • the semi-product gas mixture cooled in this way is fed from the second side 88 of the heat exchanger 80 through the second deflection device 100 to the semi-product gas mixture distribution 70 and is thus transferred from the first region 20 into the second region 30.
  • the second deflection device 100 is delimited from the first region 20 by the first base 101 and from the second region 30 by the second base 102.
  • a spacer element 103 is arranged between the first base 101 and the second base 102, in particular a plurality of spacer elements 103.
  • the gas flow distribution device 110 is arranged between the semi-product gas mixture distribution 70 and the second catalyst bed 50 on the outer surface of the second catalyst bed 50.
  • the gas flow distribution device 110 is, for example, a sheet metal with holes, wherein the holes on the side facing the first region 20 (closer to the first region 20) (on the left side in Fig. 1) are larger than on the side facing away from the first region 20 (on the right side in Fig. 1); instead, the gas flow distribution device can also be arranged on the inner surface (inner shell side) of the second catalyst bed 50.
  • the semi-product gas mixture then flows through the second catalyst bed 50 in a uniform manner over the entire second region 30 and is guided inside the second catalyst bed 50 (more precisely in the interior which is not filled with catalyst, i.e. the core of the hollow cylinder) directly and without deflection, in particular without an axially arranged pipe inside the second catalyst bed, directly to the outlet 16.
  • the distributor head 84 projects into a corresponding recess of the second region 30, so that the distance between the first region 20 and the second region 30 is minimal and thus the total amount of catalyst within the converter housing 12 can be further maximized.

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Abstract

200878P10WO 18.04.2024 14 Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Konverter 10 mit einer möglichst hohen Katalysatorbeladung und möglichst hohem Umsatz bei geringer Bauhöhe. - Fig. 1 -

Description

Konverter für die Ammoniaksynthese
Die Erfindung betrifft einen Konverter für die Ammoniaksynthese.
Die Ammoniaksynthese wird prinzipiell seit etwa einem Jahrhundert nach dem Haber- Bosch-Verfahren durchgeführt. Hierbei werden bei hohem Druck und hoher Temperatur Stickstoff und Wasserstoff an einem Katalysator zu Ammoniak umgesetzt. Da es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, verschiebt der hohe Druck das Gleichgewicht zum Produkt Ammoniak hin. Da die Reaktion aber exotherm ist, verschiebt eine hohe Temperatur das Gleichgewicht zu den Edukten Wasserstoff und Stickstoff. Es wird jedoch eine hohe Temperatur benötigt, um eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit zu haben. Durch die bei der Reaktion entstehende Wärme heizt sich das Reaktionsgemisch jedoch weiter auf. Daher wird die Ammoniaksynthese oftmals in zwei oder mehr Stufen durchgeführt, wobei zwischen den Stufen die entstehende Wärme über einen Wärmetauscher abgeführt wird. Dadurch wird die für die Kinetik notwendige Temperatur gehalten, eine zu hohe Temperatur und damit die Verschiebung des Gleichgewichts zu den Edukten jedoch vermieden.
Heutige Reaktoren zur Ammoniaksynthese, auch Konverter genannt, sind derart aufgebaut, dass diese einen drucktragenden Behälter aufweisen. In dem drucktragenden Behälter, auch Konvertergehäuse genannt, befindet sich eine sogenannte Cartridge, in welcher der Katalysator angeordnet ist. Somit findet die genannte Reaktion in der Cartridge statt. Die Cartridge kann insbesondere wärmeisoliert sein. Weiterhin kann in einer Cartridge auch ein Wärmetauscher angeordnet sein. Innerhalb eines Konvertergehäuses können auch zwei oder mehr Cartridges angeordnet sein. Weist der Konverter zwei Cartridges auf, so ist beispielsweise eine erste Cartridge in einem ersten Bereich und eine zweite Cartridge in einem zweiten Bereich angeordnet, wobei der erste Bereich meist oberhalb des zweiten Bereichs angeordnet ist. Hierbei weist die erste Cartridge im ersten Bereich üblicherweise einen Wärmetauscher auf, um die bei der Reaktion des Gasgemischs im Katalysator der ersten Cartridge entstandene Reaktionswärme abzuführen. In dem oberen ersten Bereich ist mittig in Längsrichtung, sich über die Länge des ersten Bereichs erstreckend, ein Wärmetauscher angeordnet, in dem das aus den Katalysatorbetten ausströmende Gasgemisch das in die Katalysatorbetten eintretende Gasgemisch erwärmt. Somit wird die bei der Reaktion entstehende Wärme genutzt, um neues Gasgemisch auf die Reaktionstemperatur zu bringen. Am Ende des Wärmetauschers des ersten Bereichs wird das Eduktgasgemisch in Richtung des Einlasses des ersten Bereichs verbracht, während das Produktgasgemisch am Ende des Wärmetauschers des ersten Bereichs zum Eingang des zweiten Bereichs geführt wird. Innerhalb eines Bereichs wird das Eduktgasgemisch an der Außenseite geführt und somit an der Außenseite des Konverters über die Länge des ersten Bereichs verteilt. Von dort gelangt das Eduktgas durch einen radial angeordneten ringförmigen Katalysator zum ersten Wärmetauscher, welcher in der Mitte im Innern des Katalysators der ersten Cartridge angeordnet ist. Im ersten Wärmetauscher gibt das teilumgesetzte Halbproduktgasgemisch die durch die Reaktion im Katalysator der ersten Cartridge entstandene Wärme an das kühlere Eduktgasgemisch ab und wärmt das Eduktgasgemisch vor. Das Halbproduktgasgemisch wird am Ende des ersten Bereichs radial nach außen geführt und an der Außenseite des Konverters über die Länge des zweiten Bereichs verteilt. Von dort wird das Produktgasgemisch durch einen radial verlaufenden Katalysator der zweiten Cartridge geführt. Um eine zu schnelle Strömung an dem ersten Bereich entgegengesetzten Ende des zweiten Bereichs zu vermeiden, ist im Inneren des Hohlzylinders beispielswiese ein sich axial erstreckendes Rohr angeordnet. Dieses Rohr reicht - von der Innenseite des Katalysators durch einen Ringspalt beabstandet - bis fast an das dem ersten Bereich zugewandte Ende des zweiten Bereichs heran und geht an dem dem ersten Bereich entgegengesetzten Ende des zweiten Bereichs in einen Auslass über. Dabei führt es die aus der Innenseite des Katalysators der zweiten Cartridge austretende Produktgasströmung über den Ringspalt an der Außenseite dieses Rohres wieder an das dem ersten Bereich angrenzende Ende des zweiten Bereichs, wo es in den Innenraum des Rohres eintritt und dann durch das Rohr aus dem Reaktor hinausgeleitet wird. Es ergibt sich somit im Mittel eine Z-förmige Strömung im zweiten Bereich (wobei die Strömung an den Mantelflächen entlang und durch den Katalysator hindurch eine U-Form aufweist). Alternativ kann das Halbproduktgasgemisch beispielsweise durch geeignete Lochplatten geführt werden, sodass die Durchströmung des Katalysatorbetts im zweiten Bereich über die Länge möglichst homogen erfolgt und so Bereiche mit zu hohen Gasgeschwindigkeiten (und damit zu geringen Umsatzzeiten) vermeiden werden. Es besteht der Wunsch, möglichst viel Katalysator in einen vorhandenen Konverter- und Cartridgeraum einzubringen, um so eine optimale Umsetzung zu erhalten. Gleichzeitig sollte aber auch möglichst gewährleistet sein, dass die Verweilzeit am Katalysator möglichst homogen verteilt ist, dass also insbesondere keine Bereiche besonders schneller Durchströmung auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konverter mit einer möglichst hohen Katalysatorbeladung bereit zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Konverter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Der erfindungsgemäße Konverter dient zur Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff. Der Konverter weist ein Konvertergehäuse auf. Das Konvertergehäuse weist einen Einlass für das Eduktgasgemisch auf. Über diesen wird Wasserstoff und Stickstoff üblicherweise im Verhältnis 3:1 zugeführt. Das Konvertergehäuse weist weiterhin einen Auslass für das Produktgasgemisch auf. Hier wird das Gemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak abgeführt. Der Konverter weist einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich im Inneren des Konvertergehäuses auf. Im ersten Bereich ist ein erstes Katalysatorbett angeordnet und im zweiten Bereich ist ein zweites Katalysatorbett angeordnet, wobei insbesondere das Ende des ersten Katalysatorbetts, das dem zweiten Katalysatorbett zugewandt ist, oder ein Boden an diesem Ende des ersten Katalysatorbetts ein Ende des ersten Bereichs darstellen kann, und wobei insbesondere das Ende des zweiten Katalysatorbetts, das dem ersten Katalysatorbett zugewandt ist, oder ein Boden an diesem Ende des zweiten Katalysatorbetts ein Ende des zweiten Bereichs darstellen kann. Das erste Katalysatorbett und das zweite Katalysatorbett sind jeweils radial in Form eines Hohlzylinders ausgeführt und so angeordnet, dass diese von außen nach innen durchströmt werden können (ein geringer Anteil des jeweiligen Edukts kann gegebenenfalls auch über die ringförmigen Deckflächen der Hohlzylinder in die Katalysatorbetten einströmen, sofern diese Deckflächen nicht von einem abdichtenden Boden bedeckt sind). Zwischen dem Konvertergehäuse und dem ersten Katalysatorbett ist eine Eduktgasgemischverteilung angeordnet, und zwischen dem Konvertergehäuse und dem zweiten Katalysatorbett ist eine Halbproduktgasgemischverteilung angeordnet. Die Eduktgasgemischverteilung und die Halbproduktgasgemischverteilung können einfach als radial die Katalysatorbetten umgebende Spalte (insbesondere Ringspalte) zwischen dem Konvertergehäuse und den Katalysatorbetten ausgeführt sein. Im Inneren des ersten Katalysatorbetts, genauer im Inneren, welches nicht mit Katalysator gefüllt ist (Kem des Hohlzylinders), ist ein Wärmetauscher angeordnet. Alternativ könnte man auch sagen, dass der Wärmetauscher im vom ersten Katalysatorbett umgebenen Innenbereich angeordnet ist. Der Wärmetauscher weist eine erste Seite (erster Wärmetauscherraum) für das Eduktgasgemisch auf und eine zweite Seite (zweiter Wärmetauscherraum) für das Halbproduktgasgemisch. Entsprechend ist die erste Seite des Wärmetauschers an ihrem Anfang mit dem Einlass verbunden. Somit gelangt das dem Konverter frisch zugeführte Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff zuerst direkt in den Wärmetauscher. Hierbei wird Wärme von der zweiten Seite des Wärmetauschers auf die in der ersten Seite des Wärmetauschers befindlichen Edukte übertragen. Die erste Seite des Wärmetauschers ist am Ende mit einer ersten Umlenkvorrichtung verbunden und die erste Umlenkvorrichtung verbindet das Ende der ersten Seite des Wärmetauschers mit der Eduktgasgemischverteilung. Die zweite Seite des Wärmetauschers ist derart angeordnet, dass die zweite Seite des Wärmetauschers von dem aus dem ersten Katalysator austretenden Halbproduktgasgemisch durchströmt wird. Hierdurch kann die durch die chemische Reaktion freigesetzte Wärme auf die einströmenden Edukte übertragen werden und diese erwärmen (vorwärmen). Gleichzeitig wird das Halbproduktgasgemisch für die zweite Reaktionsstufe im zweiten Bereich wieder abgekühlt und so das Gleichgewicht zum Produkt Ammoniak hin verschoben, wobei jedoch eine ausreichend hohe Temperatur für eine gute Kinetik gehalten wird. Die zweite Seite des Wärmetauschers ist mit einer zweiten Umlenkvorrichtung verbunden, und die zweite Umlenkvorrichtung verbindet die zweite Seite des Wärmetauschers mit der Halbproduktgasgemischverteilung.
Erfindungsgemäß weist der Wärmetauscher eine Primärleitung auf. Die Primärleitung verläuft mittig vom Einlass bis zu dem dem zweiten Bereich benachbarten Ende des ersten Bereichs (die Primärleitung endet also insbesondere im ersten Bereich an einem Endpunkt des ersten Bereichs, also unmittelbar an dessen äußerer Grenze, oder in einem Endbereich des ersten Bereichs, welcher sich innerhalb des ersten Bereichs in der Nähe der äußeren Grenze des ersten Bereichs erstreckt). An dem zweiten Bereich benachbarten Ende der Primärleitung ist ein Verteilerkopf angeordnet. Weiterhin weist der Wärmetauscher eine Vielzahl an Sekundärleitungen auf. Die Sekundärleitungen sind mit dem Verteilerkopf und der ersten Umlenkvorrichtung verbunden. Der Verteilerkopf dient insbesondere dazu, den Eduktgasstrom aus der einen Primärleitung umzulenken (in Gegenrichtung) und auf die Vielzahl der Sekundärleitungen aufzuteilen. Die Sekundärleitungen verlaufen parallel zur Primärleitung und sind um die Primärleitung herum angeordnet. Dadurch sind die Sekundärleitungen in die zweite Seite des Wärmetauschers eingebettet und werden von diesem umgeben, so dass die Sekundärleitungen vom Halbproduktgasgemisch im Gegenstrom umströmt werden. Entsprechend weisen die Sekundärleitungen in Summe eine sehr viel größere Oberfläche auf und tragen somit sehr viel mehr zum Wärmeübertrag im Wärmetauscher bei als die Außenseite des Primärrohrs. Dies führt dazu, dass der Hauptteil des Wärmeübergangs im Wärmetauscher durch die Sekundärleitung erfolgt. Hierdurch wird die Gasführung im Inneren des ersten Katalysatorbetts vereinfacht. Gleichzeitig wird in einfacher und vor allem kompakter Bauweise ein Gegenstromwärmetäuscher erreicht. Der Verteilerkopf ragt in den zweiten Bereich hinein; dies kann insbesondere bedeuten, dass der Verteilerkopf dort in das zweite Katalysatorbett hineinragen kann. Durch die in den zweiten Bereich hineinragende Anordnung des als Verbindung von Primärleitung und Sekundärleitungen vorgesehenen Verteilerkopfes wird ein unnötig großer Zwischenraum zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zur Aufnahme des Verteilerkopfes vermieden und somit kann mehr Katalysator in dem Konverter angeordnet werden, was wiederum einen höheren Durchsatz ermöglicht. Hierbei kann insbesondere der zweite Bereich (insbesondere das zweite Katalysatorbett im zweiten Bereich) eine Ausnehmung (Vertiefung) zur Aufnahme des Verteilerkopfs aufweisen, indem an dem Ende des Katalysatorbett-Hohlzylinders, welcher dem ersten Bereich zugewandt ist, ein endseitiger Teil der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders ausgespart ist, sodass der Verteilerkopf zumindest teilweise vom Katalysatorbett umgeben ist. Bei dieser Ausgestaltung wird der Verteilerkopf des Wärmetauschers also durch die Ausnehmung in die Ausdehnung des zweiten Katalysatorbetts eingebracht, so dass der Freiraum zwischen dem ersten Katalysatorbett und dem zweiten Katalysatorbett verkleinert werden kann und so eine besonders kompakte Bauform erreicht wird, ohne dass durch die endseitige Verringerung des Volumens des Katalysatorbettes der Umsatz signifikant beeinträchtigt wird, da gerade an dieser Stelle das Katalysatormaterial im Katalysatorbett strömungstechnisch ineffektiver angeordnet ist und somit weniger zum Gesamtumsatz beiträgt, so dass grade an dieser Stelle eine Ausnehmung mit geringen Umsatzeinbußen verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Bereich (insbesondere das zweite Katalysatorbett im zweiten Bereich) dort eine kegelförmige Ausnehmung zur Aufnahme des Verteilerkopfs auf, beispielsweise eine sich verjüngende Ausnehmung, deren Form von der Form eines Kegels abgeleitet ist und deren breitester Bereich an dem Ende des Katalysatorbetts angeordnet ist, der dem ersten Bereich zugewandt ist. Insbesondere kann die kegelförmige Ausnehmung auch die Form eines Kegelstumpfes haben, wobei insbesondere die Deckfläche des Kegelstumpfes dem katalysatorfreien Innenbereich des zweiten Bereichs entspricht. Weiterhin kann der Kegelstumpf zusätzlich am breiten Ende einen zylinderförmigen Fortsatz aufweisen. Durch diese kegelförmige Ausnehmung ist es zum einen gut möglich, diesen zu fertigen, und auf der anderen Seite kann der Verteilerkopf so sehr gut platzsparend aufgenommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Bereich einen ersten Boden auf. Der zweite Bereich weist einen zweiten Boden auf. Zwischen dem ersten Boden und dem zweiten Boden ist die zweite Umlenkvorrichtung angeordnet. Zwischen dem ersten Boden und dem zweiten Boden ist ferner ein Abstandselement angeordnet. Das Abstandselement dient dazu, ein zu starkes Durchbiegen zu verhindern oder zumindest zu verringern, insbesondere des zweiten Bodens. Dies ist insbesondere durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Katalysator und dem Material der Struktur möglich. Das Abstandselement kann beispielsweise als Schraubelement ausgeführt sein, um beim Einbau die Länge des Abstands in einfacher Weise anpassen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Verteilerkopf die Form eines Kugelsegments auf. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Katalysatorbett eine Gasflussverteilvorrichtung in Form einer die Oberfläche verschließenden Schicht mit Öffnungen (durchgängige Ausnehmungen, Perforation) auf. Die Öffnungen der Gasflussverteilvorrichtung weisen unterschiedliche Größen auf, wobei die Größe der Öffnungen der Gasflussverteilvorrichtung in Abhängigkeit von der Entfernung zum ersten Bereich gewählt ist. Die Öffnungen sind angrenzend zum ersten Bereich am größten und werden mit zunehmender Entfernung zum ersten Bereich kleiner. Hierdurch kann insbesondere bei einer Anordnung der Gasflussverteilvorrichtung im Innenraum des Katalysatorbett-Hohlzylinders eine über die Höhe des Katalysatorbett-Hohlzylinders vergleichmäßigte radiale Geschwindigkeit erreichen, es wird also der Fluss des Halbproduktgasgemisches gezielt vergleichmäßigt, sodass der aus dem zweiten Katalysatorbett austretende Produktgasstrom direkt zum Auslass geführt wird. Daher kann auf ein axial angeordnetes Rohr im Inneren des zweiten Katalysatorbetts verzichtet werden, wodurch der Innenbereich, der nicht mit Katalysator gefüllt ist, kleiner ausfallen kann, sodass mehr Katalysator in den Konverter eingebracht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Größe der Öffnungen der Gasflussverteilvorrichtung linear mit dem Abstand zum ersten Bereich geändert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gasflussverteilvorrichtung auf der Innenseite des zweiten Katalysatorbetts angeordnet (also an der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders). Alternativ ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Gasflussverteilvorrichtung auf der Außenseite des zweiten Katalysatorbetts angeordnet (also an der äußeren Mantelfläche des Hohlzylinders). Die Ausführungsform auf der Außenseite ist bevorzugt, da hierdurch die Strömung schon vor dem zweiten Katalysatorbett vergleichmäßigt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher eine Primärleitung auf. Die Primärleitung verläuft mittig von Einlass bis zu dem zweiten Bereich benachbarten Ende des ersten Bereichs. Am dem zweiten Bereich benachbarten Ende der Primärleitung ist ein Verteilerkopf angeordnet. Weiter weist der Wärmetauscher eine Mehrzahl an Sekundärleitungen auf. Die Sekundärleitungen sind mit dem Verteilerkopf und der ersten Umlenkeinrichtung verbunden. Die Sekundärleitungen verlaufen parallel zur Primärleitung und sind um die Primärleitung herum angeordnet. Entsprechend weisen die Sekundärleitungen in Summe eine sehr viel größere Oberfläche auf und tragen somit sehr viel mehr zum Wärmeübertrag im Wärmetauscher bei. Hierdurch wird die Gasführung im Inneren des ersten Katalysatorbetts vereinfacht. Gleichzeitig wird in einfacher und vor allem kompakter Bauweise ein Gegenstromwärmetäuscher erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher auf der zweiten Seite Leitbleche für das Halbproduktgasgemisch auf. Hierdurch kann die Führung des Halbproduktgasgemischs für den Wärmeübertrag optimiert werden, was wiederum eine kompaktere Bauweise und damit mehr Katalysator ermöglicht.
Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Konverter anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Konverter
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Konverter 10 gezeigt. Die Pfeile zeigen jeweils die ungefähre Strömungsrichtung des Gasgemisches an. Der Konverter 10 weist ein Konvertergehäuse 12 auf, welches alles umschließt und entsprechend den Betriebsbedingungen druckfest ausgeführt ist. Durch den Einlass 14 wird ein Eduktgasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff zugeführt und durch die Primärleitung 82 des Wärmetauschers 80 bis zum Verteilerkopf 84 des Wärmetauschers 80 geführt. Im Verteilerkopf 84 wird der Eduktgasstrom auf mehrere Sekundärleitungen 86 verteilt und umgelenkt. Insbesondere in den Sekundärleitungen 86 kann das Eduktgasgemisch Wärme von dem Halbproduktgasgemisch auf der zweiten Seite 88 des Wärmetauschers 80 aufnehmen. Das so erwärmte Eduktgasgemisch wird aus den Sekundärleitungen 86 über die erste Umlenkvorrichtung 90 in die Eduktgasgemischverteilung 60 geführt, die das erste Katalysatorbett 40 radial umgibt und diesem somit vollflächig über dessen Mantelfläche Eduktgasgemisch zuführt. Das Eduktgasgemisch reagiert im dem ersten Katalysatorbett 40 anteilig/zumindest teilweise zu Ammoniak und erwärmt sich durch die freiwerdende Reaktionswärme. Das so erzeugte Halbproduktgasgemisch gelangt aus dem ersten Katalysatorbett 40 in die zweite Seite 88 des Wärmetauschers 80, und umströmt dort die Sekundärleitungen 86, wobei es die erzeugte Wärme an das Eduktgasgemisch in den Sekundärleitungen 86 abgibt. Das so abgekühlte Halbproduktgasgemisch wird aus der zweiten Seite 88 des Wärmetauschers 80 durch die zweite Umlenkvomchtung 100 der Halbproduktgasgemischverteilung 70 zugeführt und damit aus dem ersten Bereich 20 in den zweiten Bereich 30 überführt. Die zweite Umlenkvomchtung 100 wird gegenüber dem ersten Bereich 20 durch den ersten Boden 101 und gegenüber dem zweiten Bereich 30 durch den zweiten Boden 102 begrenzt. Zusätzlich ist zwischen dem ersten Boden 101 und dem zweiten Boden 102 ein Abstandselement 103 angeordnet, insbesondere eine Vielzahl an Abstandselementen 103. Zwischen der Halbproduktgasgemischverteilung 70 und dem zweiten Katalysatorbett 50 ist auf der äußeren Oberfläche des zweiten Katalysatorbetts 50 die Gasflussverteilvorrichtung 110 angeordnet. Die Gasflussverteilvorrichtung 110 ist beispielsweise ein Blech mit Löchern, wobei die Löcher auf der dem ersten Bereich 20 zugewandten (dem ersten Bereich 20 nähergelegenen) Seite (in Fig. 1 auf der linken Seite) größer sind als auf der dem ersten Bereich 20 abgewandten Seite (in Fig. 1 auf der rechten Seite); stattdessen kann die Gasflussverteilvorrichtung auch an der inneren Oberfläche (inneren Mantelseite) des zweiten Katalysatorbetts 50 angeordnet sein. Das Halbproduktgasgemisch durchströmt dann in gleichmäßiger Weise über den gesamten zweiten Bereich 30 das zweite Katalysatorbett 50 und wird im Inneren des zweiten Katalysatorbetts 50 (genauer im Inneren, welches nicht mit Katalysator gefüllt ist, also dem Kern des Hohlzylinders) direkt und ohne Umlenkung, insbesondere ohne ein axial angeordnetes Rohr im Inneren des zweiten Katalysatorbetts, direkt zum Auslass 16 geführt. Hierbei ragt der Verteilerkopf 84 in eine entsprechende Ausnehmung des zweiten Bereichs 30, sodass der Abstand zwischen dem ersten Bereich 20 und dem zweiten Bereich 30 minimal wird und somit die Gesamtmenge an Katalysator innerhalb des Konvertergehäuses 12 weiter maximiert werden kann.
Bezugszeichen 10 Konverter 12 Konvertergehäuse 14 Einlass 16 Auslass 20 erster Bereich 30 zweiter Bereich
40 erstes Katalysatorbett
50 zweites Katalysatorbett
60 Eduktgasgemischverteilung 70 Halbproduktgasgemischverteilung
80 Wärmetauscher
82 Primärleitung
84 Verteilerkopf
86 Sekundärleitung 88 zweite Seite
90 erste Umlenkvorrichtung
100 zweite Umlenkvorrichtung
101 erster Boden
102 zweiter Boden 103 Abstandselement
110 Gasflussverteilvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Konverter (10) zur Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff, wobei der Konverter (10) ein Konvertergehäuse (12) aufweist, wobei das Konvertergehäuse (12) einen Einlass (14) für das Eduktgasgemisch aufweist, wobei das Konvertergehäuse (12) einen Auslass (16) für das Produktgasgemisch aufweist, wobei der Konverter (10) einen ersten Bereich (20) und einen zweiten Bereich (30) im Inneren des Konvertergehäuses (12) aufweist, wobei im ersten Bereich (20) ein erstes Katalysatorbett (40) angeordnet ist, wobei im zweiten Bereich (30) ein zweites Katalysatorbett (50) angeordnet ist, wobei das erste Katalysatorbett (40) und das zweite Katalysatorbett (50) jeweils radial in Form eines Hohlzylinders ausgeführt sind und so angeordnet sind, dass diese von außen nach innen durchströmt werden, wobei zwischen dem Konvertergehäuse (12) und dem ersten Katalysatorbett (40) eine Eduktgasgemischverteilung (60) angeordnet ist, wobei zwischen dem Konvertergehäuse (12) und dem zweiten Katalysatorbett (50) eine Halbproduktgasgemischverteilung (70) angeordnet ist, wobei im Inneren des ersten Katalysatorbetts (40) ein Wärmetauscher (80) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher (80) eine erste Seite für das Eduktgasgemisch aufweist, wobei die erste Seite des Wärmetauschers (80) an ihrem Anfang mit dem Einlass (14) verbunden ist, wobei die erste Seite des Wärmetauschers (80) am Ende mit einer ersten Umlenkvorrichtung (90) verbunden ist, wobei die erste Umlenkvorrichtung (90) das Ende der ersten Seite des Wärmetauschers (80) mit der Eduktgasgemischverteilung (60) verbindet, wobei der Wärmetauscher (80) eine zweite Seite (88) aufweist, wobei die zweite Seite (88) derart angeordnet ist, dass die zweite Seite (88) von dem aus dem ersten Katalysator austretenden Halbproduktgasgemisch durchströmt wird, wobei die zweite Seite (88) mit einer zweiten Umlenkvorrichtung (100) verbunden ist, wobei die zweite Umlenkvorrichtung (100) die zweite Seite (88) mit der Halbproduktgasgemischverteilung (70) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (80) eine Primärleitung (82) aufweist, wobei die Primärleitung (82) mittig vom Einlass (14) bis zu dem dem zweiten Bereich (30) benachbarten Ende des ersten Bereichs (20) verläuft, wobei an dem zweiten Bereich (30) benachbarten Ende der Primärleitung (82) ein Verteilerkopf (84) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher (80) eine Vielzahl an Sekundärleitungen (86) aufweist, wobei die Sekundärleitungen (86) mit dem Verteilerkopf (84) und der ersten Umlenkvorrichtung (90) verbunden sind, wobei die Sekundärleitungen (86) parallel zur Primärleitung (82) verlaufen und um die Primärleitung (82) herum angeordnet sind, wobei der Verteilerkopf (84) in den zweiten Bereich (30) hineinragt.
2. Konverter (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (80) auf der zweiten Seite (88) Leitbleche für das Halbproduktgasgemisch aufweist.
3. Konverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Katalysatorbett (50) eine Gasflussverteilvorrichtung (110) in Form einer die Oberfläche verschließenden Schicht mit Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen der Gasflussverteilvorrichtung (110) unterschiedliche Größen aufweisen, wobei die Größe der Öffnungen der Gasflussverteilvorrichtung (110) in Abhängigkeit von der Entfernung zum ersten Bereich (20) gewählt ist, wobei die Öffnungen angrenzend zum ersten Bereich (20) am größten sind und mit zunehmender Entfernung zum ersten Bereich (20) kleiner werden, wobei der aus dem zweiten Katalysatorbett (50) austretende Produktgasstrom direkt zum Auslass (16) geführt wird.
4. Konverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (30) eine kegelförmige Ausnehmung zur Aufnahme des Verteilerkopfs (84) aufweist.
5. Konverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (20) einen ersten Boden (101 ) aufweist, wobei der zweite Bereich (30) einen zweiten Boden (102) aufweist, wobei zwischen dem ersten Boden (101 ) und dem zweiten Boden (102) die zweite Umlenkvorrichtung (100) angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Boden (101 ) und dem zweiten Boden (102) ein Abstandselement (103) angeordnet ist.
6. Konverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkopf (84) die Form eines Kugelsegments aufweist.
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