LU103200B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Synthese von grünem Ammoniak - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak umfassend: − Bereitstellen von Wasserstoff; − Zuführen des Wasserstoffes zu einem Ammoniaksynthese- Zirkulators (10), umfassend einen Ammoniakkonverter (3), in welchem Ammoniak katalytisch synthetisiert wird; einen Zirkulator (1), welcher dem Ammoniakkonverter (3) ein den Wasserstoff und Stickstoff enthal- tendes Edukt-Gasgemisch zuführt; und eine Kühlstrecke (5), in welcher Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoniakkonverters (3) auskondensiert wird; wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) zunächst in einem Volllastbetrieb betrieben wird, in wel- chem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) eine Nenn-Durchflussmenge des Wasserstoffes bereitge- stellt wird, und wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) von dem Vollastbetrieb in einen Teillastbetrieb überführt wird, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) eine Durchflussmenge an Wasserstoff bereit- gestellt wird, die geringer ist als die Nenn-Durchflussmenge, wobei in dem Teillastbetrieb ein erster Gasstrom von dem Edukt-Gasgemisch abgezweigt und zum Ein- gang des Zirkulators (1) geleitet wird und ein zweiter Gasstrom aus dem Produkt-Gasgemisch abge- zweigt wird und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird.

Description

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LU103200

Vorrichtung und Verfahren zur Synthese von grünem Ammoniak

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak, wobei Wasserstoff bereitge- stellt und einer Ammoniaksynthese-Kreislauf zugeführt wird, welche umfasst: einen Ammoniakkonver- ter, in welchem Ammoniak katalytisch synthetisiert wird; einen Zirkulator, welcher dem Ammoniak- konverter ein den Wasserstoff und Stickstoff enthaltendes Edukt-Gasgemisch zuführt; und eine Kühl- strecke, in welcher Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoniakkonverters auskonden- siert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak, umfassend: eine

Zuführeinrichtung zum Bereitstellen von Wasserstoff; einen Ammoniaksynthese-Kreislauf mit einem

Ammoniakkonverter zur katalytischen Synthese von Ammoniak, einem Zirkulator zum Zuführen eines

Wasserstoff und Stickstoff enthaltenden Edukt-Gasgemischs zu dem Ammoniakkonverter und einer

Kühlstrecke zum Auskondensieren von Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoniakkon- verters.

[0001] Bei der herkömmlichen Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff gemäß dem

Haber-Bosch Verfahren wird der Wasserstoff häufig durch Dampfreformierung von Kohlenwasserstof- fen gewonnen. Die Kohlenwasserstoffe können sicher und für längere Zeiträume zwischengelagert wer- den, so dass sie zu jeder Zeit in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt werden können. Daher kann auch zu jeder Zeit daraus durch Dampfreformierung eine ausreichende Menge an Wasserstoff ge- wonnen werden. Dies ermöglicht eine herkömmliche Synthese von Ammoniak über längere Zeiträume bei maximaler Auslastung der Syntheseanlage unter kontinuierlicher Verfahrensführung (Volllastbe- trieb). Auch eine variable Auslastung der Syntheseanlage unter kontinuierlicher Verfahrensführung ist möglich. So kann der Durchsatz vorübergehend vermindert werden (Teillastbetrieb), ohne dass es zu einer vollständigen Unterbrechung der Verfahrensführung kommt. Unterbrechungen der Synthese sind meist nur nach längeren Zeiträumen der Synthese, häufig erst nach Monaten oder sogar Jahren erforder- lich, z.B. für Wartungsarbeiten.

[0002] Infolge der allgemeinen Bestrebungen, den Einsatz fossiler Energieträger zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden, wurden alternative Verfahren zur Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff gemäß dem Haber-Bosch Verfahren entwickelt, bei denen der Wasserstoff nicht durch

Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen, sondern durch Elektrolyse von Wasser gewonnen wird.

Der für die Elektrolyse eingesetzte elektrische Strom wird dabei aus erneuerbarer Energie gewonnen, insbesondere aus Windkraft, Wasserkraft, Solarenergie oder Kombinationen davon. Der so gewonnene

Wasserstoff wird als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet.

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[0003] Erneuerbare Energie ist nicht kontinuierlich in konstanter Menge verfügbar. Insbesondere die LU103200

Verfügbarkeit von Windkraft und Solarenergie ist erheblichen Schwankungen unterworfen, welche ins- besondere vom Wetter und vom Tag-Nacht-Zyklus verursacht werden. Mit den Schwankungen der Ver- fügbarkeit erneuerbarer Energie schwankt auch die Verfügbarkeit von aus der erneuerbaren Energie gewonnenem elektrischem Strom. Für die Elektrolyse von Wasser sind solche Schwankungen ein un- tergeordnetes Problem, denn die Leistung moderner Elektrolysezellen kann zeitnah solchen Schwan- kungen angepasst werden. Im Ergebnis schwankt damit die Verfügbarkeit von Wasserstoff, welcher durch Elektrolyse von Wasser mit elektrischem Strom aus erneuerbarer Energie gewonnen wird, zeit- gleich (oder geringfügig zeitlich versetzt) mit der Schwankung der Verfügbarkeit der erneuerbaren Ener- gie.

[0004] Anlagen zur Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff nach dem Haber-Bosch

Verfahren sind vergleichsweise träge und können kurzfristige Schwankungen der Verfügbarkeit von

Wasserstoff nicht oder nur zu einem geringen Teil ausgleichen.

[0005] Um zu jeder Zeit eine ausreichende Menge an Wasserstoff zur Verfügung stellen zu können, damit die Anlagen kontinuierlich betrieben werden können, wäre das Zwischenspeichern der erneuer- baren Energie, des daraus erzeugten elektrischen Stroms, oder des damit durch Elektrolyse von Wasser gewonnenen Wasserstoffs erforderlich. In Zeiten geringer Verfügbarkeit erneuerbarer Energie könnte dann auf den jeweiligen Zwischenspeicher zugegriffen werden. Die Größe des Zwischenspeichers müsste ausreichen, um übliche Zeitspannen geringer Verfügbarkeit erneuerbarer Energie zu überbrü- cken, d.h. ggf. mehrere Tage.

[0006] Beim Betrieb von Anlagen zur Synthese von Ammoniak mit grünem Wasserstoff ist es wün- schenswert, einen Teillastbetrieb bis zu einer Reduktion auf 10% der Volllast zu ermöglichen, um die

Speicherkapazität für grünen Wasserstoff bzw. für die aus erneuerbaren Quellen erzeugte Energie zu minimieren bzw. die Anlagen nicht jedes Mal abschalten zu müssen, wenn die zur Verfügung stehende

Leistung an erneuerbarer Energie gering ist. Das Wiederanfahren der Anlage aus dem kalten Zustand ist mit einem hohen Zeitaufwand und dem damit verbundenen Produktionsausfall verbunden. Die be- sondere Herausforderung bei diesem flexiblen Betrieb in „grünen“ Anlagen (diese Herausforderung fehlt bei den konventionellen Anlagen) besteht darin, den Synthesedruck (meist 140-200 bar) in einem engen Bereich konstant zu halten. Während die Druckänderung in den konventionellen Anlagen unprob- lematisch ist (weil selten), würde sie in den grünen Anlagen mit ihren häufigen Lastwechseln zu einer inakzeptablen Belastung der Anlagen, insbesondere des Ammoniakkonverters, führen. Der Konverter müsste dann für wechselnde Belastungen ausgelegt werden, was zu höheren Anlagenkosten führt.

[0007] Darüber hinaus gibt es weitere Herausforderungen, die die Regelung grüner Anlagen zur Syn- these von Ammoniak erschweren: So sollte der Volumenstrom in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf hoch genug sein, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung in den Katalysatorbetten zu gewährleisten.

Ansonsten besteht die Gefahr, dass sich im Ammoniakkonverter heiße bzw. kalte Strähnen bilden, die

230104P00LU 3 im schlimmsten Fall den Katalysator beschädigen oder zum Erlöschen der Synthesereaktion führen. So LU103200 ist beispielsweise das in der EP 3 819 261 A1 vorgeschlagene Regelungskonzept für den Betrieb grüner

Anlagen zu Ammoniaksynthese problematisch. Bei diesem Regelungskonzept wird der Druck in dem

Ammoniaksynthese-Kreislauf durch Öffnen des AntiSurge-Ventils des Rückführkompressors konstant gehalten. Dadurch wird der Volumenstrom in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf etwa proportional zur sinkenden Wasserstoffverfügbarkeit reduziert, was bei einer Teillast von unter 50 % zu einer ungleich- mäßigen Gasverteilung in den Katalysatorbetten des Ammoniakkonverters führen kann.

[0008] Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen flexiblen und siche- ren Betrieb einer grünen Ammoniakanlage bei schwankender Verfügbarkeit von Wasserstoff zu ermög- lichen.

[0009] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Patentansprüche gelöst.

[0010] Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak umfassend: — Bereitstellen von Wasserstoff; — Zuführen des Wasserstoffes zu einem Ammoniaksynthese-Kreislauf, umfassend einen Ammoniakkonverter, in welchem Ammoniak katalytisch synthetisiert wird; einen Zirkulator, welcher dem Ammoniakkonverter ein den Wasserstoff und Stickstoff enthal- tendes Edukt-Gasgemisch zuführt; und eine Kühlstrecke, in welcher Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoniakkon- verters auskondensiert wird; wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf zunächst in einem Volllastbetrieb betrieben wird, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf eine Nenn-Durchflussmenge des Wasserstoffes bereitgestellt wird, und wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf von dem Vollastbetrieb in einen Teillastbetrieb wechselt, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf eine Durchflussmenge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die geringer ist als die Nenn-Durchflussmenge, wobei in dem Teillastbetrieb ein erster Gasstrom von dem Edukt-Gasgemisch abgezweigt und zum Ein- gang des Zirkulators geleitet wird und ein zweiter Gasstrom aus dem Produkt-Gasgemisch abgezweigt wird und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird.

[0011] Im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ändert sich die momentane Verfügbarkeit des

Wasserstoffs, beispielsweise durch äußere Einflüsse wie z.B. Tag-Nacht-Zyklus, Wetter, etc. Zunächst ist die momentane Verfügbarkeit des Wasserstoffs hoch, so dass der Ammoniaksynthese-Kreislauf im

Vollastbetrieb betrieben wird. Während eines darauffolgenden Zeitintervalls ist die Verfügbarkeit des

Wasserstoffs reduziert und der Ammoniaksynthese-Kreislauf wird in einem Teillastbetrieb betrieben.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Teillastbetrieb der erste Gasstrom von dem Edukt-

Gasgemisch, beispielsweise am Ausgang des Zirkulators, zu dem Eingang des Zirkulators geleitet wird

230104P00LU 4 und der zweite Gasstrom von dem Produkt-Gasgemisch, beispielsweise am Eingang der Kühlstrecke, LU103200 abgezweigt und ebenfalls zum Eingang des Zirkulators geleitet wird.

[0012] Der erste Gasstrom reduziert zwar den Volumenstrom des Edukt-Gasgemischs, trägt aber dazu bei, dass der Druck am Eingang des Ammoniakkonverters im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Der zweite Gasstrom überbrückt die Kühlstrecke, verhindert das Auskondensieren des Ammoni- aks und führt daher zu einer Erhöhung der Ammoniakkonzentration in dem Edukt-Gasgemisch. Hier- durch kann der Volumenstrom des Edukt-Gasgemischs in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf bei redu- zierter Verfügbarkeit von Wasserstoff, insbesondere bei einer Reduktion unterhalb von 50% der Nenn- last, aufrechterhalten werden. Etwaige negative Auswirkungen eines zu geringen Volumenstroms in dem Ammoniakkonverter können auf diese Weise verhindert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Regelung der Synthese von Ammoniak bis zu sehr kleinen Teillasten, ohne dass die

Gefahr einer ungleichmäßigen Durchströmung der Katalysatorbetten besteht. Große Laständerungen können ohne unannehmbar hohe Druckschwankungen und extremen Turndown in der Kälteanlage ge- regelt werden, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. Insofern kann ein flexibler und sicherer

Betrieb einer grünen Ammoniakanlage mit Schwankungen der Verfügbarkeit von Wasserstoff ermög- licht werden.

[0013] Bevorzugt ist der Zirkulator als Kompressor ausgebildet.

[0014] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Druck in dem

Ammoniaksynthese-Kreislauf gemessen wird, insbesondere der Druck des dem Ammoniakkonverter zugeführten Edukt-Gasgemischs. Die Messung des Drucks ermöglicht eine Regelung des Drucks in dem

Ammoniaksynthese-Kreislauf. Zur Messung des Drucks kann der Ammoniaksynthese-Kreislauf, insbe- sondere eine Gasleitung des Ammoniaksynthese-Kreislaufs, einen Gasdrucksensor aufweisen.

[0015] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Gasstrom in Abhängigkeit von einem Druck in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf, insbesondere dem Druck des dem Ammoniakkonverter zugeführten Edukt-Gasgemischs, eingestellt wird. Beispielsweise kann bei sinkendem Druck in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf der Volumenstrom des ersten Gasstroms erhöht werden, um den Volumenstrom des Edukt-Gasgemischs zum Ammoniakkonverter zu reduzieren. Durch diese Maßnahmen kann der Druck des Edukt-Gasgemischs gestützt werden. Insofern ist es möglich, den

Druck des Edukt-Gasgemischs im Wesentlichen konstant zu halten. Bevorzugt wird der erste Gasstrom derart eingestellt, dass der Volumenstrom des Edukt-Gasgemischs stets größer oder gleich 50% des

Nenn-Volumenstroms bei Volllast ist, so dass negative Auswirkungen eines zu geringen Volumen- stroms in dem Ammoniakkonverter jedenfalls vermieden werden.

[0016] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass — alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Gasstrom — der zweite Gasstrom in Abhängigkeit von einem Druck in dem

Ammoniaksynthese-Kreislauf, insbesondere dem Druck des dem Ammoniakkonverter zugeführten

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Edukt-Gasgemischs, eingestellt wird. Beispielsweise kann bei sinkendem Druck in dem Ammoniaksyn- LU103200 these-Kreislauf der Volumenstrom des zweiten Gasstroms erhöht werden, um die Konzentration von

Ammoniak im Edukt-Gasgemisch zu erhöhen. Ein vorübergehender Mangel von Wasserstoff im Edukt-

Gasgemisch kann durch die erhöhte Ammoniak-Konzentration kompensiert werden, um einen ausrei- chend hohen Volumenstrom des Edukt-Gasgemischs, und damit einen ausreichend hohen Volumen- strom im Ammoniakkonverter, auch bei reduzierter Verfügbarkeit von Wasserstoff aufrechtzuerhalten.

Durch die erhöhte Ammoniakkonzentration am Eintritt des Ammoniakkonverters wird weniger Ammo- niak pro Durchtritt des Konverters gebildet, so dass der Umsatz im Ammoniakkonverter an die vermin- derte Wasserstoffzufuhr angepasst wird.

[0017] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite

Gasstrom in Abhängigkeit von einer Ammoniakkonzentration in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf eingestellt wird. Bevorzugt wird bei einem Absinken des Drucks in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf ein Sollwert der Ammoniakkonzentration in dem Edukt-Gasgemisch erhöht. Durch den zweiten

Gasstrom kann die Konzentration an Ammoniak in dem Edukt-Gasgemisch verändert werden. Bei- spielsweise kann ein größerer Volumenstrom des zweiten Gasstroms zu einer höheren Konzentration von Ammoniak im Edukt-Gasgemisch führen und ein kleinerer Volumenstrom des zweiten Gasstroms zu einer geringeren Konzentration von Ammoniak im Edukt-Gasgemisch.

[0018] Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Gasstrom mittels eines ersten steuerbaren Ventils abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird. Bevorzugt ist das erste Ventil derart ausgelegt, dass es 50% oder mehr des Nenn-Volu- menstroms des Edukt-Gasgemischs führen kann.

[0019] Gemäß einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Gasstrom mittels mindestens eines zweiten steuerbaren Ventils abgezweigt und zum Eingang des

Zirkulators geleitet wird.

[0020] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite

Gasstrom mittels mehrerer zweiter steuerbarer Ventile (sogenannter Bypass-Ventile) abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird, wobei ein erstes der zweiten Ventile einen kleineren Durch- flusskoeffizienten als ein zweites der zweiten Ventile aufweist, und wobei zunächst nur das erste der zweiten Ventile geöffnet wird, und dann das zweite der zweiten Ventile geöffnet wird. Die zweiten

Ventile sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Durch das Vorsehen mehrerer zweiter Ventile, die nicht gleichzeitig, sondern nacheinander geöffnet bzw. geschlossen werden, kann der Volumenstrom des zweiten Gasstroms mit zeitlich aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Änderungsraten eingestellt werden. Bevorzugt sind zwei zweite Ventile (also zwei Bypass-Ventile) vorgesehen.

[0021] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite der zweiten Ventile erst dann geöffnet wird, wenn erste der zweiten Ventile vollständig geöffnet ist. Das erste der zweiten Ventile kann vergleichsweise schnell schalten und dadurch eine schnelle Reaktion auf

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Änderungen der Wasserstoffverfügbarkeit ermöglichen. Das zweite der zweiten Ventile kann dann bei LU103200 vollständig geöffnetem erstem Ventil eine zusätzliche Vergrößerung des Volumenstroms des zweiten

Gasstroms ermöglichen.

[0022] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite der zweiten Ventile erst dann geöffnet wird, wenn das erste Ventil vollständig geöffnet ist.

[0023] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt wird, die mit elektrischem Strom aus regenerativer Energie betrieben wird. Bevorzugt wird der elektrische Strom aus Wasserkraft gewonnen; bevorzugt hängt dabei die mo- mentan verfügbare Menge an Wasserstoff von der momentanen Verfügbarkeit von Wasserkraft ab. Al- ternativ oder zusätzlich bevorzugt ist es, wenn der elektrische Strom aus Solarenergie gewonnen wird; bevorzugt hängt dabei die momentan verfügbare Menge an Wasserstoff von der momentanen Verfüg- barkeit von Solarenergie ab. Weiter alternativ oder zusätzlich bevorzugt ist es, wenn der elektrische

Strom aus Windkraft gewonnen wird; bevorzugt hängt dabei die momentan verfügbare Menge an Was- serstoff von der momentanen Verfügbarkeit von Windkraft ab.

[0024] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Ein- gang und dem Ausgang des Zirkulators ein AntiSurge-Ventil angeordnet ist. Das Anti-Surge-Ventil kann einen weiteren Gasstrom parallel zu dem ersten Gasstrom ermöglichen, wenn der Druck im Ammoni- akkonverter zu groß wird oder der Volumenstrom auf der Saugseite des Zirkulators zu gering ist. Be- vorzugt ist das AntiSurge-Ventil derart ausgelegt, dass es 100% des Nenn-Volumenstroms des Edukt-

Gasgemischs führen kann.

[0025] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Synthese von Ammo- niak beschrieben, umfassend: — eine Zuführeinrichtung zum Bereitstellen von Wasserstoff; — einen Ammoniaksynthese-Kreislauf umfassend einen Ammoniakkonverter zur katalytischen Synthese von Ammoniak; einen Zirkulator zum Zuführen eines Wasserstoff und Stickstoff enthaltenden Edukt-Gasgemischs zu dem Ammoniakkonverter; und eine Kühlstrecke zum Auskondensieren von Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoni- akkonverters; wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf dazu konfiguriert ist, in einem Volllastbetrieb betrieben zu werden, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf eine Nenn-Durchflussmenge des Wasserstoffes bereitgestellt wird, und wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf dazu konfiguriert ist, in einem Teillastbetrieb betrieben zu wer- den, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf eine Durchflussmenge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die geringer ist als die Nenn-Durchflussmenge,

230104P00LU 7 wobei in dem Teillastbetrieb ein erster Gasstrom von dem Edukt-Gasgemisch abgezweigt und zum Ein- LU103200 gang des Zirkulators geleitet wird und ein zweiter Gasstrom aus dem Produkt-Gasgemisch abgezweigt wird und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird.

[0026] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können dieselben Vorteile und technischen Wirkungen erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Synthese von Ammoniak beschrieben worden sind.

[0027] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Druckregler umfasst, der dazu konfiguriert ist, einen Volumenstrom des ersten Gasstroms einzu- stellen, um den Druck des Edukt-Gasgemischs auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln. Bevorzugt ist der Druckregler dazu eingerichtet einen Druck-Istwert des Edukt-Gasgemischs zu empfangen. Zur

Messung des Druck-Istwerts ist bevorzugt ein Drucksensor als Teil des Ammoniaksynthese-Kreislaufs vorgesehen. Der Druckregler ist bevorzugt dazu konfiguriert, ein erstes Ventil anzusteuern, welches zwischen dem Ausgang, also der Druckseite, des Zirkulators und dem Eingang, also der Saugseite, des

Zirkulators angeordnet ist. Bevorzugt kann der Druckregler mittels des ersten Ventils den ersten

Gasstrom einstellen, welcher von dem Edukt-Gasgemisch abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird.

[0028] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Druckregler zusätzlich dazu konfiguriert ist einen Volumenstrom des zweiten Gasstroms einzustellen (sogenannte ,Split-Range-Regelung”), um den Druck des Edukt-Gasgemischs auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln. Der Druckregler ist bevorzugt dazu konfiguriert, ein oder mehrere zweite Ventile anzusteuern, welche zwischen dem Ausgang des Ammoniakkonverters und dem Eingang, also der Saugseite, des

Zirkulators, angeordnet sind. Bevorzugt kann der Druckregler mittels des ersten oder des zweiten der zweiten Ventile den zweiten Gasstrom einstellen, welcher von dem Produkt-Gasgemisch abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird.

[0029] Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die

Vorrichtung einen Konzentrationsregler umfasst, der dazu konfiguriert ist, einen Volumenstrom des zweiten Gasstroms einzustellen, um eine Konzentration von Ammoniak in dem Edukt-Gasgemisch auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln. Der Konzentrationsregler ist bevorzugt dazu konfiguriert, ein oder mehrere zweite Ventile anzusteuern, welche zwischen dem Ausgang des Ammoniakkonverters und dem Eingang, also der Saugseite, des Zirkulators, angeordnet sind. Bevorzugt kann der Konzentrations- regler mittels des oder der zweiten Ventile den zweiten Gasstrom einstellen, welcher von dem Produkt-

Gasgemisch abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators geleitet wird.

[0030] Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen der Vor- richtung können auch die vorteilhaften Merkmale und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah- rens, allein oder in Kombination, bei der Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak Anwendung finden.

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[0031] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, LU103200 sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnun- gen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, wel- che den Erfindungsgedanken nicht einschränken.

[0032] Kurze Beschreibung der Figuren

[0033] Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak;

[0034] Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Synthese von Ammo- niak mit einem Druckregler;

[0035] Die Fig. 3 zeigt beispielhafte Ventilôffnungsgrade für verschiedene Lastzustände.

[0036] Die Fig. 4 zeigt beispielhafte Last- und Druckverläufe.

[0037] Die Fig. 5 zeigt beispielhafte Temperaturverläufe.

[0038] Die Fig. 6 zeigt einen beispielhaften Volumenstromverlauf.

[0039] Die Fig. 7 zeigt einen beispielhaften Ammoniakkonzentrationsverlauf.

[0040] Die Fig. 8 zeigt beispielhafte Druckoszillationen.

[0041] Die Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Synthese von Ammo- niak mit einem Druckregler und einem Konzentrationsregler.

[0042] Die Fig. 10 zeigt beispielhafte Druckverläufe.

[0043] Die Fig. 11 zeigt beispielhafte Volumenstromverläufe.

[0044] Ausfihrungsformen der Erfindung

[0045] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zur Synthese von Ammoniak dar- gestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Zuführeinrichtung 50 zum Bereitstellen von Wasserstoff so- wie einen Ammoniaksynthese-Kreisaluf 10. Der Wasserstoff wird als Teil eines Einsatzgases MUG bereitgestellt und einer Kühlstrecke 5 des Ammoniaksynthese-Kreislaufs 10 zugeführt. In der Kühlstre- cke 5 wird aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoniaksynthese-Kreislaufs 10 Ammoniak auskon- densiert. Das verbleibende Gasgemisch wird im Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 geführt, und mit dem

Einsatzgas zusammengeführt und einem als Kompressor ausgebildeten Zirkulator 1 dem Ammoniak- synthese-Kreislauf 10 zugeleitet.

[0046] Der Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 umfasst ferner einen auf der Druckseite des Zirkulators 1 angeordneten Gas-Gas-Wärmetauscher 2 zum Vorwärmen eines auf der Druckseite des Zirkulators 1 vorliegenden Edukt-Gasgemischs. Das vorgewärmte Edukt-Gasgemisch wird einem Ammoniakkonver- ter 3 des Ammoniaksynthese-Kreislaufs 10 zugeführt, in welchem eine katalytische Synthese von Am- moniak aus im Edukt-Gasgemisch enthaltenen Wasserstoff und Stickstoff an einem geeigneten Kataly- sator erfolgt. Parallel zu dem Zirkulator 1 ist ein AntiSurge-Ventil AV angeordnet, welches in Reihe mit

230104P00LU 9 einem Kühler 6 geschaltet ist. Über das AntiSurge-Ventil AV kann ein Strom direkt zur Saugseite des LU103200

Zirkulators 10 zurückgeführt werden, wenn der Mindestförderstrom unterschritten wird und der Zirku- lator 10 droht in den Zustand des sogenannten „Surgens“ zu fallen.

[0047] Der Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 wird idealerweise in einem Volllastbetrieb betrieben, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 eine Nenn-Durchflussmenge des Wasserstoffes bereit- gestellt wird. Wird der Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt, die mit elektrischem Strom aus rege- nerativer Energie betrieben wird, so kommt es aufgrund der schwankenden Verfügbarkeit von regene- rativen Energien zu Schwankungen in der Verfügbarkeit von Wasserstoff. Sinkt der Volumenstrom an

Wasserstoff unter einen Nenn-Volumenstrom, so wird der Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 in einen

Teillastbetrieb versetzt, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 eine Durchflussmenge an

Wasserstoff bereitgestellt wird, die geringer ist als die Nenn-Durchflussmenge. Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Teillastbetriebs sollen nachfolgend anhand der Darstellungen in Fig. 2 und 3 erläutert werden. Dabei kommt ein erstes Ventil SBV zur Verwendung, welches die Druckseite und die

Saugseite des Zirkulators 1 miteinander verbindet, um einen ersten Gasstrom von dem Edukt-Gasge- misch abzuzweigen und zum Eingang des Zirkulators 1 zu leiten. Ferner finden zwei zweite Ventile

BV1, BV2 Verwendung, welche parallel zueinander zwischen dem Eingang und dem Ausgang der

Kühlstrecke 5 angeordnet sind, um wahlweise einen zweiten Gasstrom aus dem Produkt-Gasgemisch abzuzweigen und zum Eingang des Zirkulators 1 zu leiten. Erfindungsgemäß werden der erste und der zweite Gasstrom bereitgestellt, um einen Teillastbetrieb zu ermöglichen, so dass der Ammoniaksyn- these-Kreislauf 10 bei Schwankungen der Wasserstoffverfügbarkeit flexibel und sicher betrieben wer- den kann.

[0048] Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Druckregler PIC zum Regeln des Drucks des

Edukt-Gasgemischs und einem Konzentrationsregler AIC zum Regeln der Ammoniakkonzentration im

Edukt-Gasgemisch. Hierbei wird der Druck in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 gemessen, insbe- sondere der Druck des dem Ammoniakkonverter 3 zugeführten Edukt-Gasgemischs. Ferner wird die

Ammoniakkonzentration in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 gemessen, insbesondere in dem

Edukt-Gasgemisch. Der erste Gasstrom wird dann in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck einge- stellt. Der zweite Gasstrom wird in Abhängigkeit von der gemessenen Ammoniakkonzentration einge- stellt wird. Hier kommt der Wert für die einzustellende Ammoniakkonzentration vom Druckregler PIC.

[0049] Bei dem Verfahren wird anhand der Kombination aus dem Rücklauf des Zirkulators 1 (erster

Gasstrom) und dem Bypass der Kühlstrecke (zweiter Gasstrom) sichergestellt, dass drei Schlüsselkrite- rien erfüllt werden: (a) Stabiler Druck in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf 10; (b)Rückführung eines

Volumenstroms von mehr als 50 % des Auslegungswerts zur Vermeidung von Synthesegasfehlvertei- lungen im Ammoniakkonverter 3, selbst bei einem Turndown von 10 % (Teillastbetrieb mit einem Was- serstoff- Volumenstrom von 10% des Nenn-Volumenstroms); (c) Temperatur des Katalysatorbetts des

Ammoniakkonverters 3 liegt innerhalb eines zulässigen Bereichs für den gesamten Betriebsbereich (10- 100 %).

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[0050] Der zweite Gasstrom, d.h. der Bypass-Strom um die Kühlstrecke 5 wird von zwei Bypass-Ven- LU103200 tilen BV1, BV2 übernommen. Ein erstes Bypass-Ventil BV1 weist einen einem kleineren Durchfluss- koeffizienten Cv-Wert (=kleinerer Durchfluss) auf und ein zweites Bypass-Ventil BV2 weist einen grö- ßeren Cv-Wert (=größerer Durchfluss) auf. Die Aufteilung der beiden Ventile BV1 und BV2 in Bezug auf die einzustellende Laständerung erfolgt wie folgt: Das erste Bypass-Ventil BV1 übernimmt 0 bis 50% des Ausgangswertes des Konzentrationsreglers AIC, das zweite Bypass-Ventil BV2 übernimmt 50% bis 100% des Ausgangswertes des Konzentrationsreglers AIC. Das erste Bypass-Ventil BV1 ist für eine schnelle Reaktion auf eine Laständerung oder eine Feinabstimmung nach den ersten großen Schrit- ten gedacht und wird sehr schnell geöffnet oder geschlossen.

[0051] Mit dem ersten, auch als Spill Back Ventil bezeichneten, Ventil SBV am Zirkulator 1 wird der

Volumenstrom des ersten Gasstroms so geregelt, dass der Druck am Eingang des Ammoniakkonverters 3 konstant bleibt. Das parallel zu dem ersten Ventil SBV vorgesehene Anti-Surge-Ventil AV wird aus

Gründen des Maschinenschutzes vorgehalten und verhindert einen zu kleinen Volumenstrom auf der

Saugseite des Zirkulators 1 als Teil einer unabhängigen Anti-Surge-Regelung für den Zirkulator 1.

[0052] Wenn sich die Last verringert, d.h. wenn die Verfügbarkeit des Wasserstoffs abnimmt, wechselt der Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 von einem Vollastbetrieb in den Teillastbetrieb, wobei folgende

Schritte ablaufen:

[0053] Der Ausgang des Druckreglers PIC steigt, d.h. die Differenz zwischen einem vorgegebenen

Sollwert und dem Istwert wird größer.

[0054] Zunächst wird das erste Ventil SBV geöffnet, um den Volumenstrom zum Ammoniakkonverter 3 zu reduzieren. Bei einem Teillastbestrieb von größer als 50% der Volllast reicht es aus, nur das erste

Ventil SBV zu öffnen, um den Druck des Edukt-Gasstroms aufrechtzuerhalten. Der durch das Öffnen des ersten Ventils SBV allein erreichbare minimale Teillastbetrieb liegt bei etwa 50 %, so dass der

Volumenstrom durch den Ammoniakkonverter 3 bei > 50 % gehalten wird. Der Ausgangswert des

Druckreglers PIC liegt in diesem Betriebsbereich bei 0 bis 50%.

[0055] Sobald der Volumenstrom des Wasserstoffs weiter sinkt und ein noch weiter abgesenkter Teil- lastbetrieb erforderlich ist, erhöht sich der Ausgang des Druckreglers PIC auf über 50 % und es geschieht

Folgendes: Der Ausgang des Druckreglers PIC liefert einen Fernsollwert für den Ammoniakkonzentra- tionsregler AIC. Eine Erhöhung des Ausgangs des Druckreglers PIC erhöht den Konzentrations-Soll- wert für den AIC. Das Ausgangssignal des Konzentrationsreglers AIC wird auf das erste Bypass-Ventil

BV1 (0-50%) und das zweite Bypass-Ventil BV2 (50-100%) aufgeteilt. Das zweite Bypass-Ventil BV2 nur, wenn das erste Bypass-Ventil BV1 und das erste Ventil SBV vollständig geöffnet sind. Der Druck- regler PIC ändert die Sollwerte für den Schleifendruck, der direkt vom ersten Ventil SBV eingestellt wird und für die Ammoniakkonzentration, die von den zwei (zweiten) Bypass-Ventilen BV1 und BV2 entsprechend der Abweichung vom Solldruck eingestellt wird.

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[0056] Alternativ zur dieser Art der Regelung kann der Druckregler PIC einem Regler des An- LU103200 saugstroms des Zirkulators 1 einen entfernten Sollwert zur Verfügung stellen, der dann das erste Ventil

SBV ansteuert.

[0057] Fig. 3 zeigt ein Beispiel für Ventilöffnungsgrade bei verschiedenen Lastzuständen. Es sind fol- gende Aspekte erkennbar:

[0058] Wenn das erste Bypass-Ventil BV1 geschlossen ist, dann ist auch das zweite Bypass-Ventil BV2 geschlossen.

[0059] Wenn das zweite Bypass-Ventil BV2 geöffnet ist, sind das erste Ventil SBV und das erste By- pass-Ventil BV1 bereits vollständig geöffnet.

[0060] Wenn die Last erhöht wird, wird zuerst das zweite Bypass-Ventil BV2 geschlossen. Erst nach- dem das zweite Bypass-Ventil BV2 geschlossen ist, wird die Öffnung der anderen beiden Ventile redu- ziert: Das erste Ventil SBV wird auf die vorgegebenen Sollwerte eingestellt und das erste Bypass-Ventil

BV1 wird langsam geschlossen. Die gewünschten Sollwerte für das erste Ventil SBV nähern sich sehr schnell dem stabilen Zustand, spätestens dann ist das zweite Bypass-Ventil BV1 vollständig geschlos- sen.

[0061] Bei gleicher Belastung sind die Endlagen der Ventile BV1, BV2, SBV unabhängig von der vor- herigen Teillast identisch.

[0062] Das erste Ventil SBV lässt selbst in der zu 100 % geöffneten Stellung nur einen Durchfluss von maximal 50 % (gemessen bei Normalbetrieb) zu. Das bedeutet, dass man immer noch das AntiSurge-

Ventil AV benötigt, um im Falle eines blockierten Ammoniakkonverters 3 das gesamte Rückführgas zur Saugseite des Zirkulators 1 zu leiten. Das AntiSurge-Ventil AV muss also weitere 50% bewältigen.

[0063] Die folgende Tabelle verdeutlicht das Vorgehen bei verschiedenen TDR-Änderungen (Lastän- derungen). Die aufgeführten Grenzwerte sind nur als Beispiele zu betrachten.

TDR-Änderungen Grobe Anzeige der Ventilstellung ("ganz offen", "ganz geschlossen", "Normalbetrieb", "in Regelung") y La 100 85 Nur das erste Ventil SBV ist geregelt, AntiSurge-Ventil, das erste By- pass-Ventil BV1 und das zweite Bypass-Ventil BV2 sind geschlossen.

Das erste Ventil SBV ist bei 100 % (Auslegungsfall) vollständig ge- schlossen, beginnt aber zwischen 100 % und 85 % zu ôffnen, um den

Druck in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf 10 zu steuern. 85 Das erste Ventil SBV ist im Regelbetrieb und nähert sich der vollständig geöffneten Position, wenn die Last auf 60 % sinkt. Das erste Bypass-

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Ventil BV1 und das zweite Bypass-Ventil BV2 bleiben geschlossen. An- | LU103200 tiSurge-Ventil AV und/oder das erste Ventil SBV sind/ist ab ca. 855% oh- nehin immer offen 30 Das erste Ventil SBV noch unter Kontrolle, aber bei 50 % voll geöffnet.

Erstes Bypass-Ventil BV1 ist voll geöffnet, zweites Bypass-Ventil BV2 in Regelung. Recycle-Volumenstrom beträgt 50%. 30 10 Das erste Ventil SBV ist voll geöffnet, das erste Bypass-Ventil BV1 ist voll geöffnet, das zweite Bypass-Ventil BV2 ist im Normalbetrieb. Re- cycle-Volumenstrom beträgt 50%.

Alle Ventile SBV, BV1 und BV2 sind vollständig geöffnet. Der tatsäch-

Cl em Ragelngtane 10 Das zweite Bypass-Ventil BV2 ist teilweise geschlossen, das erste By- pass-Ventil BV1 wird erst geschlossen, wenn das zweite Bypass-Ventil

BV2 vollständig geschlossen ist. Das erste Ventil SBV ist noch vollstän- dig geöffnet. 10 50 Das zweite Bypass-Ventil BV2 ist teilweise geschlossen, das erste By- pass-Ventil BV1 wird erst geschlossen, wenn das zweite Bypass-Ventil

BV2 vollständig geschlossen ist. Das erste Ventil SBV ist vollständig geöffnet.

Das zweite Bypass-Ventil BV2 ist geschlossen, das erste Bypass-Ventil

BVI1 ist noch nicht geschlossen. Das erste Bypass-Ventil und das erste

Ventil SBV gehen gegen 100 % Anlagenlast in den Zustand "voll ge- schlossen” über.

[0064] Die Übergangsregelung kann weiter fein abgestimmt werden, indem eine bewusste Überlap- pung in der Splitrange-Regelung eingeführt wird, z. B. 0 - 55 % für das erste Ventil SBV und 45 % - 100 % für die Bypass-Ventile BV1, BV2. Die Grenzen des Regelausgangs können auch entsprechend dem Durchflusskoeffizienten Cv-Wert der Ventile eingestellt werden, um die Verzögerung der Reaktion weiter zu verringern.

[0065] Dieses Regelungskonzept ermöglicht eine Druckregelung bis hinunter zu einer Absenkung von 10 % der Anlagenkapazität, ohne dass der Betrieb der Kühlstrecke 5 beeinträchtigt wird oder eine An- fahrheizung erforderlich ist. Darüber hinaus werden die Geräte und Rohrleitungen keinen zusätzlichen (pulsierenden) Belastungen ausgesetzt. Fig. 4 zeigt die Drucksprünge während der TDR-Änderung von 100% auf 10% mit dem oben beschriebenen Regelschema.

[0066] Die Temperatur der Katalysatorbetten des Ammoniakkonverters 3 bleibt im gewünschten Be- reich (350 - 500 °C), siehe Fig. 5.

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[0067] Der Kreislaufdurchfluss bleibt selbst bei einer TDR von 10 % über 50 % (siehe Fig. 6) während LU103200 die Anfahrheizung erst bei 10 % TDR eingeschaltet wird (nicht dargestellt).

[0068] Die Einbeziehung der Ammoniakkonzentrationsmessung in die Regelung hat jedoch den Nach- teil, dass die Ammoniakkonzentrationsmessung kein sofortiges Ergebnis liefert und bestenfalls mindes- tens etwa 2 Minuten dauert. Daher kann die Verwendung des Ammoniakgehalts als veränderliche Größe zu Problemen führen - dies wird durch Fig. 8 bestätigt, in der deutlich Druckschwankungen zu sehen sind, die mit der Zeit sogar zunehmen, aber noch im zulässigen Bereich liegen.

[0069] Es ist zu beachten, dass die in Fig. 8 gezeigten Schwingungen in der Regel auftreten, wenn das zweite Bypass-Ventil BV2 kaum geöffnet ist (< 20%), z.B. zwischen den Stunden 1 - 4 oder 12-16. Dies ist auf die Messverzogerung zurückzuführen, die dazu führt, dass sich das Ventil von offen nach ge- schlossen und umgekehrt bewegt. Da das zweite Bypass-Ventil BV2 ein großes Ventil ist, kann sein plôtzliches Öffnen beim Empfang eines Ausgangssignals einen übermäßigen Bypass-Durchfluss verur- sachen, der wiederum ein oszillierendes Druckmuster auslöst. Wenn das zweite Bypass-Ventil BV2 im- mer weiter geöffnet wird, ist zu beobachten, dass sich die Druckschwankungen beruhigen. Es ist mog- lich, die Regelung zu dämpfen, um ein stabileres Verhalten zu erreichen.

[0070] Das größere Problem ist jedoch, dass diese Druckschwankungen wiederum Temperaturschwan- kungen im Konverter (+/-10 bis 15 °C) selbst bei gleichbleibenden Einsatzgas (MUG)-Zufuhrbedingun- gen verursachen, was letztlich zu einem vorzeitigen Katalysatorverschlechterung führen kann.

[0071] Diese Druckschwankungen können in Kauf genommen werden, aber es gibt auch mindestens zwei Möglichkeiten, sie zu beseitigen oder zu verringern. Erstens können sie durch eine schnellere Am- moniak-Analysemethode reduziert werden. Eine vollständige Beseitigung der Schwankungen kann je- doch mit dem folgenden Verfahren erreicht werden, das ebenfalls Teil dieser Erfindung ist: Statt exakte

NH3-Konzentrationen am Konvertereingang einzustellen (und zu messen!), wird der Bypass-Durchfluss auf zwei Arten vorgegeben: entweder über eine grobe Look-up-Tabelle für den jeweils zu betreibenden

TDR oder über eine direkte Druckregelung. Die direkte Druckregelung bedeutet, dass die Bypass-Ven- tile BV1, BV2 direkt durch den Druckregler PIC des Ammoniaksynthese-Kreislaufs 10 geregelt werden, siehe Fig. 9.

Fig. 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, welches leidglich einen Druckregler PIC zum Regeln des Drucks des Edukt-Gasgemischs umfasst.

[0072] Bei beiden Methoden wird also der Regelkreis von einem langsamen Konzentrationsregelkreis auf einen viel schnelleren Durchflussregelkreis umgestellt. Die endgiiltige Einstellung (so dass der

Druck unverändert bleibt) wird mit dem ersten Ventil SBV vorgenommen. Die Werte für den Bypass-

Durchfluss in der groben Nachschlagetabelle werden so festgelegt, dass die resultierende NH3-Kon- zentration immer etwas zu hoch ist, so dass die Kreisgasmenge auch bei kleinster Belastung über 50% liegt und das erste Ventil SBV somit im Regeleingriff bleiben kann. Alternativ können die Öffnungen

230104P00LU 14 der Bypass-Ventile BV1, BV2 und damit der Bypass-Durchfluss durch direkte Druckregelung manipu- LU103200 liert werden, ohne explizite Werte fiir Ammoniakkonzentration oder Bypass-Durchfluss.

[0073] Die Vorteile dieser Kontrollstrategie sind: Die Regelung bleibt bis zu sehr kleinen Teillasten möglich, ohne dass die Gefahr einer ungleichmifigen Durchstrômung der Katalysatorbetten besteht.

Große Laständerungen können ohne unannehmbar hohe Druckschwankungen und extremen Turndown der Kühlstrecke 5 geregelt werden, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist. Durch geschickte

Kombination der Stellungen der Ventile BV1, BV2 und SBV wird die Ammoniakkonzentration an je- dem TDR gerade so hoch gehalten, dass das erste Ventil SBV in der Schnellregelung verbleibt und somit zur Feinregelung ("Trimmung”) verwendet werden kann. Eine dynamische Simulation hat gezeigt, dass in den meisten analysierten Beispielszenarien eine Steigerung oder Verringerung der Anlagenlast von 2 %/min erreicht werden kann. In der weiteren Ausfithrung kommt der Sollwert der fiir einen bestimm- ten TDR einzustellenden Bypass-Durchflussrate aus einer Nachschlagetabelle oder den Öffnungen der

Bypass-Ventile BV1, BV2 und damit die durch direkte Druckregelung zu manipulierende Bypass-

Durchflussrate. Dadurch entfillt die Notwendigkeit einer Ammoniakmessung (mit dem Nachteil einer zweiminiitigen Verzögerung) für die Regelung, wodurch Druckschwankungen vermieden werden.

[0074] In dem Konzept nach Fig. 9 wird nur der Druck geregelt. Ausgehend von einem bestimmten

Wasserstoff-Durchfluss und damit der MUG-Menge wird die Größe des Bypass-Durchflusses der gro- ben Look-up-Tabelle entnommen, die dann durch Offnen der Bypass-Ventile BV1, BV2 eingestellt wird.

Danach wird nur noch der Druck am Konvertereingang mit Hilfe vom ersten Ventil SBV konstant ge- halten. Die Anlage hat keine andere "Wahl", als das Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch, das in den Am- moniaksynthese-Kreislauf 10 gelangt, vollständig in Ammoniak umzuwandeln. Die Anforderung "kon- stanter Druck" ist damit erfüllt. Die Aufgabe der Regelung einer TDR-Anderung reduziert sich somit auf eine schnelle und einfache - weil direkt wirkende - Druckregelung des Kreisgasflusses. Insgesamt kann mit diesem Konzept jede Teillaständerung schnell, sicher und ohne Überlastung einzelner Geräte angepasst werden.

[0075] Der Vergleich zwischen der Nachschlagetabelle und der direkten Druckregelung zeigt, dass die letztere vorteilhafter ist, obwohl die Druckspitze bei der direkten Druckregelung etwas hoher ist (aber bequemerweise weit von den zulässigen 15 % entfernt, siehe Fig. 10). Die Hauptvorteile der direkten

Druckregelung sind: eine einfachere und stabilere Kontrolle; keine Vorbereitung von Nachschlageta- bellen erforderlich; geringere NH3-Konzentrationen als bei der ausschließlichen Verwendung von

Nachschlagetabellen.

[0076] Die Methode der direkten Druckregelung führt zu den gleichen Werten des Schleifendurchflus- ses wie die Methode mit NH3-Messung, nur ohne Schleifendurchflussschwankungen, siehe Fig. 11.

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Bezugszeichenliste LU103200 1 Zirkulator 2 Gas-Gas-Wärmetauscher 3 Ammoniakkonverter 4 Dampferzeuger — Dampfüberhitzer

Kühlstrecke 6 Kühler

Ammoniaksynthese-Kreislauf

Zuführvorrichtung 100 Vorrichtung zur Synthese von Ammoniak

AIC Konzentrationsregler

AV AntiSurge-Ventil

BV1 erstes Bypass-Ventil

BV2 Zzweites Bypass-Ventil

MUG Einsatzgas enthaltend Wasserstoff

NH; Ammoniak

PIC Druckregler

SBV erstes Ventil

Claims (15)

230104P00LU 16 Patentansprüche: LU103200

1. Ein Verfahren zur Synthese von Ammoniak umfassend: — Bereitstellen von Wasserstoff; — Zuführen des Wasserstoffes zu einem Ammoniaksynthese-Kreislauf (10), umfassend einen Ammoniakkonverter (3), in welchem Ammoniak katalytisch synthetisiert wird; einen Zirkulator (1), welcher dem Ammoniakkonverter (3) ein den Wasserstoff und Stick- stoff enthaltendes Edukt-Gasgemisch zuführt; und eine Kühlstrecke (5), in welcher Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammo- niakkonverters (3) auskondensiert wird; wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) zunächst in einem Volllastbetrieb betrieben wird, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) eine Nenn-Durchflussmenge des Wasserstof- fes bereitgestellt wird, und wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) von dem Vollastbetrieb in einen Teillastbetrieb überführt wird, in welchem dem Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) eine Durchflussmenge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die geringer ist als die Nenn-Durchflussmenge, wobei in dem Teillastbetrieb ein erster Gasstrom von dem Edukt-Gasgemisch abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird und ein zweiter Gasstrom aus dem Produkt-Gasge- misch abgezweigt wird und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in dem Ammoniaksyn- these-Kreislauf (10) gemessen wird, insbesondere der Druck des dem Ammoniakkonverter (3) zugeführten Edukt-Gasgemischs.

3. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasstrom und/oder der zweite Gasstrom in Abhängigkeit von einem Druck in dem Ammo- niaksynthese-Kreislauf (10), insbesondere dem Druck des dem Ammoniakkonverter (3) zuge- führten Edukt-Gasgemischs, eingestellt wird.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gasstrom in Abhän- gigkeit von einer Ammoniakkonzentration in dem Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) eingestellt wird.

5. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasstrom mittels eines ersten steuerbaren Ventils (SBV) abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird.

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6. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der LU103200 zweite Gasstrom mittels mindestens eines zweiten steuerbaren Ventils (BV1, BV2) abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gasstrom mittels meh- rerer zweiter steuerbarer Ventile (BV1, BV2) abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird, wobei ein erstes der zweiten Ventile (BV1) einen kleineren Durchflusskoeffizienten als ein zweites der zweiten Ventile (BV1) aufweist, und wobei zunächst nur das erste der zweiten Ventile (BV1) geöffnet wird, und dann dass zweite der zweiten Ventile (BV2) geöffnet wird.

8. Das Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite der zweiten Ventile (BV2) erst dann geöffnet wird, wenn erste der zweiten Ventile (BV1) vollständig geöffnet ist.

9. Das Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite der zweiten Ventile (BV2) erst dann geöffnet wird, wenn das erste Ventil (SBV) vollständig geöffnet ist.

10. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff mittels Elektrolyse hergestellt wird, die mit elektrischem Strom aus regenerativer Energie betrieben wird.

11. Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwi- schen dem Eingang und dem Ausgang des Zirkulators (1) ein AntiSurge-Ventil (AV) angeordnet ist.

12. Eine Vorrichtung (100) zur Synthese von Ammoniak umfassend: — eine Zuführeinrichtung (50) zum Bereitstellen von Wasserstoff; — einen Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) umfassend einen Ammoniakkonverter (3) zur katalytischen Synthese von Ammoniak; einen Zirkulator (1) zum Zuführen eines Wasserstoff und Stickstoff enthaltenden Edukt-Gasge- mischs zu dem Ammoniakkonverter (3); und eine Kühlstrecke (5) zum Auskondensieren von Ammoniak aus einem Produkt-Gasgemisch des Ammoniakkonverters (3); wobei der Ammoniaksynthese-Kreislauf (10) dazu konfiguriert ist in einem Volllastbetrieb be- trieben zu werden, in welchem dem Ammoniaksynthese- Kreislauf (10) eine Nenn-Durchfluss- menge des Wasserstoffes bereitgestellt wird, und

230104P00LU 18 wobei der Ammoniaksynthese- Kreislauf (10) dazu konfiguriert ist, in einem Teillastbetrieb be- LU103200 trieben zu werden, in welchem dem Ammoniaksynthese- Kreislauf (10) eine Durchflussmenge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die geringer ist als die Nenn-Durchflussmenge, wobei in dem Teillastbetrieb ein erster Gasstrom von dem Edukt-Gasgemisch abgezweigt und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird und ein zweiter Gasstrom aus dem Produkt-Gasge- misch abgezweigt wird und zum Eingang des Zirkulators (1) geleitet wird.

13. Die Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Druckregler (PIC), der dazu konfiguriert ist, einen Volumenstrom des ersten Gasstroms einzustellen, um den Druck des Edukt- Gasgemischs auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.

14. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck- regler (PIC) zusätzlich dazu konfiguriert ist, einen Volumenstrom des zweiten Gasstroms einzu- stellen, um den Druck des Edukt-Gasgemischs auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.

15. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen Konzentra- tionsregler (AIC), der dazu konfiguriert ist, einen Volumenstrom des zweiten Gasstroms einzu- stellen, um eine Konzentration von Ammoniak in dem Edukt-Gasgemisch auf einen vorgegebe- nen Sollwert zu regeln.