PL92096B1

PL92096B1 - Catalytic synthesis of ammonia[gb1430871a]

Info

Publication number: PL92096B1
Application number: PL1973162495A
Authority: PL
Original assignee: Montecatini Edison Spa
Priority date: 1972-05-15
Filing date: 1973-05-12
Publication date: 1977-03-31
Also published as: FR2184697B1; GB1430871A; AR195111A1; CA994523A; SE383630B; AT331816B; NL7306515A; DE2324352A1; ATA419873A; FR2184697A1; ES414739A1

Description

****** *+A Twórca wynalazku: Uprawniony z patentu: Montecatini Edison S.p.A., Mediolan (Wlochy) Sposób katalitycznej syntezy amoniaku i urzadzenie do katalitycznej syntezy amoniaku Przedmiotem wynalazku jest sposób katalitycz¬ nej syntezy amoniaku i urzadzenie do katailitycz- nej syntezy amoniaku.Proces syntezy amoniaku jest jak wiadomo re¬ akcja silnie egzotermiczna, totez prfzy stosowaniu znanych sposobów syntezy odprowadza sie cieplo z reaktora na zewnatrz, przy czym w tym celu zwykle dzieli si stwy adiabatyczne oddzielone weziownicami chlo¬ dzacymi. Rozwiazanie takie ma jednak szereg wad, gdyz wezownice chlodzace, umieszczone po¬ miedzy warstwami katalizatora maja skompliko¬ wana budowe i dzialanie ich nie jest pewne, a utrzymanie w stanie uzytecznym nastrecza trud¬ nosci. Poza tym, podzial izloza na rózne warstwy stwarza koniecznosc stosowania urzadzenia o skom¬ plikowanej budowie, równoczesnie dajacego sie wyjmowac z oslony odpornej na dzialanie wyso¬ kiego cisnienia. Budowa takich urzadzen jest o- czywiiscie tym bardziej skomplikowana im wiek¬ sza jest przepustowosc urzadzenia./ Wynalazek ma na cellu ograniczenie tych wad znanych sposobów syntezy amoniaku. Sposobem wedlug wynalazku osiaga sie to latwo prowadzac synteze amoniaku w temperaturze 300^600°Q pod cisnieniem 100—450 kG/om2, w jednej tylko adia¬ batycznej warstwie katalizatora, którego glównym skladnikiem jest zelazo. Cecha sposobu wedlug wynalazku jest to, ze bezposrednio do wlotu do pojedynczej warstwy katalizatora zawraca sie —80% gazów odplywajacych z tej warstwy i zawierajacych co najmniej 12/% mollowych amo¬ niaku, przy czym róznica (Aa) pomiedzy zawar¬ toscia amoniaku w gazach odplywajacych i w ga- zadr wplywajacych do tej waiistwy wynosi 3—6% molowych, zas przestrzenna predkosc przeplywu tych gazóiw wynosi 20 OOOh-70 000, a korzystnie 50 000^-70 000 na 1 godzine. Pod pojeciem prze¬ strzennej predkosci przeplywu gazów rozumie sie stosunek objetosci gazu wplyjwajacego w ciagu 1 godziny, wyrazonej w Nm8, do pozornej objetosci katalizatora, wyrazonej w ms.Bardzo dobre wyniki uzyskuje sie prowadzac synteze pod cisnieniem 200-^300 kG/om* przy czym zawraca sie 60^75% gazów odplywaja¬ cych z katalizatora i zawierajacych co najmniej 18% molowych amoniaku. W takich warunkach amoniak korzystnie skrapila sie czesciowo i oddzie¬ la od odplywajacych gazów nie zawracanych i cze- 2Q sciowo ochlodzonych. Chlodzenie do temperatury praktycznie biorac równej temperaturze pokojo¬ wej odbywa sie posrednio za pomoca wody^ po¬ wietrza lub innego odpowiedniego czynnika.Prowadzac synteze sposobem wedlug wynalazku mozna znacznie latwiej i kosztem mniejszej ener¬ gii niz przy stosowaniu sposobów znanych wy¬ twarzac amoniak z wydajnoscia taka, jaka uzy¬ skuje sie znanymi sposobami.Zgodnie z wynalazkiem mozna prowadzic pro- ^ ces syntezy amoniaku w reaktorach o duzej prze- 92 09692 0£ 3 4 pustowosdf'1 Zrtakz%M prostszych i mniej klopdtiH- wyiclh od reaktorów znanych.Sitosujac sposób wedlug wynalazku, mozna do syntezy kierowac mieszanine gazów nie zawiera¬ jacych amoniaku, ailibo, do mieszaniny swiezych reagentów zawierajacych azot i wodór oraz mniejisze ilosci argonu, metanu i innych gazów obojetnych, mozna dodawac czesc nie przereago- wanych gazów odplywajacych ze strefy rozdzie¬ lania S, w której amoniak nie zostal cailkowicie usuniety z gazów. W drugim z tych przypadków gazy R zawracane da procesu zawieraja pewien procent amoniaku. Czesciowe usuwanie amoniaku osiaga sie korzystnie przez niezbyt silne chlodze¬ nie v posrednie, np. woda* wykorzystujac wysokie, cisnienie czastkowe amoniaku w nie przereago- wanyoh gazach. Dzieki temu mozna uniknac sil- v * nego chlodzenia, stosowanego zwykle w znanych procesach w oelu zmniejszenia zawartosci gazu w gazach poreakcyjnych. 1 U jl jjr3nFlg/lV -J^edluig wynalazku moze byc stosowany HJJfcw. roznega**fcypu urzadzeniach, ale szczególnie ko¬ rzystnie " n&daje sie do tego celu nowe urzadze¬ nie bedace przedmiotem wynalazku. Ma ono po¬ stac reaktora skladajacego sie z pojedynczej oslo¬ ny odpornej na dzialanie wysokiego cisnienia, ko¬ rzystnie pionoweij,, o ksztalcie walca, obejmuja¬ cej zaglebiony wtryskiwacz z komora do miesza¬ nia i czescia rozszerzajaca sie, stanowiaca dyfu- zor oraz adiabatyczny kosz mieszczacy kataliza¬ tor. Kosz ten ma przekrój poprzeczny pierscienio¬ wy i jego wewnetrzne oraz zewnetrzne sciany sa wspólosiowe z wtryskiiwaczem znajdujacym sie wewnatrz kosza. Sciany kosza maja otwory do rozdzielania strumienia gazów wyplywajacych pro¬ mieniowo z witryskiwacza. Kosz jest otoczony izo¬ lowanym cieplnie plaszczem, wspólosiowym z witryskiwaczem i koszem,. Plaszcz ten zawraca czesc gazów przeplywajacych przez sciany kosza i kieruje je do wlotu wtryskiiwacza.Urzadzenie wedlug wynalazku przedstawiono* w przykladzie wykonania na rysunkach!, na. których fig. 1 ilustruje pionowy przekrój reaktora do przeprowadzania sposobu wedlug wynalazku, fig. 2 ilustruje równiez przekrój reaktora zaopatrzonego dodatkowo w otwory do wyla¬ dowywania lub wprowadzania katalizatora, fig. 3 ilustruje ksztalt i wymiary wtryskiiwacza, fig. 4 ilustruje pionowy przekrój reaktora obejmujacego takze wymiennik ciepla^ fig. 5 przedstawia sche¬ mat instalacji do przeprowadzania sposobu wed¬ lug wynalazku, fig. 6 przedstawia alternatywny schemat do przeprowadzania sposobu wedilug wy¬ nalazku, natomiast fig. 7 przedstawia fragment pionowego przekroju reaktora zawierajacego bocz¬ ny przewód do regulowania stosunku miedzy iloscia cieklego nosnika i iloscia zawracanego ga¬ zu, Reaktor przedstawiony na fig. 1 obejmuje oslo¬ ne 2 odporna na dzialanie cisnienia, izolowany cieplnie wewnetrzna przestrzenia 3 plaszcz 4, wlot 1, dysze 5 przedluzajaca sie w komore 7 do mieszania i dyfuzor 8 zaopatrzony w zaciskowe otwory, a ponadto adiabatyczny kosz 10 mieszcza¬ cy katalizator i zaopatrzony w otwory 11, druga Wewnebrfófl^r przestrzen 12 pomiedzy wymienionym koszem 10 i wymienionym plaszczeni 4, fcom&te 6 oraz wylot 13.Ponadto, jak przedstawiono na. .fig. 2 reaktor zawiera otwór 17 do wyladowywania katalizatora umieszczony w dolnej czesci reaktora, korzystnie w srodku czesci dennej oraz dodatkowy otwór 16 do ostatecznego odprowadzania pfodiuktól^ synte¬ zy umieszczony w dolnej czesci rektora, korzyst- nie wspólosiowy z otworem do wyladowywania katalizatora i otaczajacy go.Pomiedzy izolowana cieplnie zewnetrzna scia¬ na plaszcza i wewnetrzna sciana reaktora odpor¬ na na dzialanie cisnienia korzystnie znajduje sie izolowana cieplnie posrednia, komora, do której przewodem prowadzacym z zewnatrz doprowadza sie czesc gazu zasilajacego,, korzystnie mniej niz % calkowitej ilosci gazu poddawanego proce¬ sowi. Komora ta jest bezposrednio polaczona z wlotem witryskiwacza i korzystnie z wnetrzem je¬ go dyszy. Stosunek pomiedzy iloscia cieklego nos¬ nika i iloscia zawracanego gazu mozna regulo¬ wac, skierowujac czesc strumienia cieklego nos¬ nika przez boczny przewód z zaworem do gazu zawracanego^ jaik to uwidoczniono na fig. 7.Jak widac na fig. 3, stosunek wielkosci po¬ wierzchni przekroju komory do mieszania S2 do wielkosci powierzchni przekroju dyszy wylotowej Sx wtryskiwac za wynosi: S2:S1=3:1 do 10:1, stosu- nek wielkosci powierzchni przekroju rozszerzonej czesci wylotowej S3 komory do mieszania, stano¬ wiacej dyfuzor, do wielkosci powierzchni prze¬ kroju komory do mieszania (S2) wynosi: S3:S2 = =10:1 do 18:1, zas dlugosc L i srednica D komo- ry do mieszania sa w stosunku: L:D=6:1 do 10:1.Poza tym, stosunek wielkosci powierzchni roz¬ szerzonej czesci wylotowej komory do mieszania do wielkosci powierzchni pierscieniowej S4 po¬ miedzy dyfuzorem i wewnetrzna sciana kosza za- 40 wierajacego katalizator powinien wynosic w przy¬ blizeniu 1:1. Cecha urzadzenia wedlug wynalazku jest równiez to, ze stosunek wielkosci powierzchni otworów w wewnetrznych i w zewnetrznych scianach kosza zawierajacego katalizator jest wiek- 45 sza niz 1:1, a korzystnie wynosi 1,1:1 do 1,5:1.Urzadzenie wedlug wynalazku zaopatrzone w wymiennik ciepla jest przedstawione w przekroju pionowym na fig. 4. Urzadzenie to sklada sie rów¬ niez z reaktora o scianach odpornych na dziala- 50 nie cisnienia, zawierajacego wtryskiwacz, kosz na katalizator i plaszcz jak opisano wyzej, przy czym urzadzenie to zaopatrzone jest w wymien¬ nik ciepla, w którym co najmniej czesc gazów przeplywajacych przez kosz z katalizatorem i za- 55 wracanych do procesu oddaje posrednio cieplo innemu czynnikowi. Czynnikiem takim moze byc substancja nie bioraca udzialu w procesie, np. woda, albo tez jako taki czynnik stosuje sie sub¬ stancje bioraca udzial w reakcji, np. gazy kiero- 60 wane do procesu prowadzi sie przez ten wymien¬ nik i wstepnie ogrzewa.Urzadzenie wedlug. wynalazku ma, w porówna¬ niu ze znanymi urzadzeniami do syntezy amonia¬ ku szereg zalet. Jedna z nich jest np. to, ze kata- 05 lizator moze byc usuwany z reaktora pod dzia-5 92 096 6 laniem sily ciezkosci przez otwór w dnie reak¬ tora, dzieki czenmi skraca sie znacznie czas trwa¬ nia .tej operacji, a jednoczesnie zbedne staje sie stosowanie urzadzen dzwigowych do wyjmowa- nia wewnetrznych czesci reaktora, jak to ma miejsce w urzadzeniach znanych.Budowa reaktorów wedlug wynalazku jest znacznie prostsza od budowy reaktorów znanych, a utrzymanie ich w stanie zdatnym do uzytku znacznie laitwiejisze, zwlaszcza w porównaniu z reaktorami zawierajacymi wiele warstw katali¬ zatora. Poza )tym przy stosowaniu reaktorów wedlug wynalazku zuzycie energii jest znacznie mniejsze, gazy w reaktorze sa bardzo dobrze roz¬ mieszczane, a dzieki zmniejszeniu iflosci urzadzen (regulujacych i chlodzacych pomiedzy warstwami upraszczaja sie problemy zwiazane z cieplna regu* lacja procesu, zas gabaryty tych urzadzen sa mniejsze niz w (przypadku urzadzen znanych o ta¬ kiej samej praepuistowosci.(Ponizsze przyklady ilustruja wynalazek nie og¬ raniczajac jego zakresu.[Przyklad I. Proces prowadzi sie w urza¬ dzeniu uwidocznionym na. fig 2. 15% strumienia gazów poddawanych procesowi, zawierajacych 8,5% amoniaku, wprowadza sie w temperaturze 50°C i pod cisnieniem 250 kG/cm* przewodem 1 do posredniej komory 2 w reaktorze, przy czym gazy te omywaja wewnetrzna sciane 3 reaktora cisnieniowego, utrzymujac ja w temperaturze po¬ nizej i25G°lC. Z komory 2 pomiedzy sciana 3 reak¬ tora i plaszczem 4 gazy wplywaja przez boczny otwór do wnetrza dyiszy 5, w której mieszaja sie z glówna czescia (85%) strumienia gazów kiero¬ wanych do procesu przewodem 6, ogrzanych u- przednio do temperatury okolo 35Q°C. Oazy wy¬ plywajace z dyszy 5 porywaja ze soba gazy 7 zawracane do procesu i zostaja przez nie ogrza¬ ne, a równoczesnie powoduja zwiekszenie cisnie¬ nia gazów zawracanych. Mieszanina- gazów prze¬ plywa przez komore mieszania 8* dyfuzor 9 i przez otwory 10 wplywa ruchem promieniowo- -odsrodkowym do wnetrza kosza 12 zawierajajcegio katalizator. Plrzestrzen dookola korpusu wlfcryskiwa- cza dziala jak rozdzielacz gazów, których cisnie¬ nie maleje minimalnie w porównaniu ze spad¬ kiem cisnienia obserwowanym w zlozu kataliza¬ tora,.Przez otwory wplywajacy 13 i wyplywajacy 14 w koszu gazy przeplywaja przez katalizator z predkoscia przestrzenna wynoszaca okolo 52 500 na godzine, nastepuje reakcja syntezy i nastep¬ nie produkty reakcji przeplywaja do posredniej komory 15. Z komory tej czesc gazów wyplywa z reaktora kanalem wyplywowym 16, zas pozo¬ stala czesc 7 jest zawracana do procesu, a mia¬ nowicie miesza sie z gazami swiezymi doprowa¬ dzanymi przez dylsze 6 w sposób wyzej opisany.Kanal wyplywowy 16 jest umieszczony wspólosio¬ wo z wylotem katalizatora 17 i otacza go. Stosu¬ nek calkowitej powierzchni otiworów 13 do cal¬ kowitej powierzchni otworów 14 wynosi okolo 1,4:1.Przyklad II. Proces prowadzi sie w urza¬ dzeniu, którego schemat przedstawia fig. 5. Mie¬ szanine^swiezych gazów spreza sie i miesza ze striuimdeniem gazów nie przereagowanych, plyna¬ cych ze !strefy rozdzielania S i zawierajacych oko¬ lo 10% molowych amoniaku. Otrzymana miesza¬ nine o cisnieniu okolo 250 kG/om2 ogrzewa sie do temperatury 3&5°C, wykorzystujac cieplo ga¬ zów odprowadzanych z reaktora. Reaktor ten jest wyposazony w wtryskiwacz umieszczony wewnatrz walcowatego kosza wypelnionego katalizatorem. W glowicy wtryisfciwacza wplywajace gazy porywaja gorace gazy stanowiace okolo 68,6% gazów wy¬ plywajacych z warstwy katalizatora i zawieraja¬ cych okolo 18% molowych amoniaku. Mieszanina stykajaca sie z katalizatorem zawiera okolo 14,5% molowych amoniaku. Pod wplywem ciepla za¬ wartego w gazach zawracanych temperatura ga¬ zów wplywajacych do warstwy katalizatora wzra¬ sta do okolo 430°C Przestrzenna predkosc ga¬ zów wynosi okolo 52 500i/igodzine.Czesc gazów wyplywajacych z warstwy kater lizatora, która nie ulega bezposrednio zawraca¬ niu do wtryskiwacza, lecz ma byc odprowadzona z reaktora, chlodzi sie najpierw posrednio woda, wytwarzajac pare wodna, %nastepnie swiezymi ga¬ zami, a na koniec chlodzi sie je posrednio woda w wymienniku ciepla do temperatury okolo 36°C.W ten sposób oddziela sie amoniak oraz gazy nie przereagowane, przy czym poniewaz gazów tych nie chlodzi sie w strefie S do niskiej temperatu¬ ry, przeto zawieraja one nadal mala ilosc amo¬ niaku, totez gazy kierowane do wtryisfciwacza za¬ wieraja okolo 8,5% molowych amoniaku. PL

Claims

Zastrzezenia patentowe 1. Sposób katalitycznej syntezy amoniaku w temperaturze 30O-h600°C, pod ciisnieniem lOOh- —4150 kG/cm2, na jednej adiabatycznej warstwie katalizatora, którego glównym skladnikiem jest zelazo, znamienny tym, ze do gazów wprowadza¬ nych do wanstwy katalizatora zawraca sie bez¬ posrednio 30—80% gazów wyplywajacych z tej wanstwy i zawierajajcych co najmniej 12% mo¬ lowych amoniaku, przy czym róznica (As) pomie¬ dzy zawartoscia amoniaku w gazach odlplywajja- cych i w gazach wplywajacych do warstwy kata¬ lizatora wynosi 3—6% molowych.
2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze gazy doplywaja do katalizatora z prejdkoscia prze¬ strzenna 20 000—70i OOO/godizine.
3. Sposób wedlug zastrz. 2, znamienny tym, ze gazy doplywaja do katalizatora z predkoscia prze¬ strzenna 50 COO—70 000/godzine.
4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze proces syntezy prowadzi sie pod cisnieniem 200— —300 fcG/cm2 i zawraca sie 60—76% gazów od¬ plywajacych z katalizatora i zawierajacych co najmniej 18% molowych amoniaku.
5. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze ilosc gazów zawracanych reguluje sie przez odprowadzenie czesci gazów kierowanych do pro¬ cesu za pomoca przewodu odgalezionego.
6. Urzadzenie do katalitycznej syntezy amonia¬ ku w postaci reaktora iskladajacego sie z pojedyn¬ czej oslony odpornej na dzialanie wysokiego cis- 10 is 25 30 36 45 50 55 0092 096 nienia* korzystnie pionowej, o ksztalcie^- walca, znamienne tym, ze posiada zaglebiony wtrysktiiwaoz (5) z komora do mieszania (18) i rozszerzajaca sie czescia stanowiaca dyfuzor (9), jak równiez adia¬ batyczny kosz (12) mieszczacy' katalizator, majacy poprzeczny przekrój pierscieniowy, przy czym we¬ wnetrzne sciany i zewnetrzne sciany kosza (12) sa Wspólosiowe z wtryskiwaczem (5) znajduja¬ cym sie w jego wnetrzu i sa zaopatrzone w otwo¬ ry (13) i (14) do rozprowadzania w kierunku pro¬ mieniowym gazów wyplywajacych z wttryskijwa- cza (5), zas kosz (12) gest otoczony izolowanym cieplnie plaszczem (4), wspólosiowym z wtryski¬ waczem (5) oraz koszeni (12) i sluzacym do za¬ wracania iczesci gazów przeplywajacych przez sciany kosza (12) i kierowania ich do wlotu wtry- skiwacza (5). 7. Urzadzenie wedlug zastrz, 6, znamienne tym, ze ma otiwór (17) do wyladowywania katalizatora umieszczony w dolnej czesci reaktora, korzystnie w srodiku czesci demnleji. 8. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, 10 ze ma otiwór (16) do ostatecznego odprowadzania produktów syntezy umieszczony w dolnej, czesci reaktora, korzystnie wisjpolosiowy z otworem do wylladoiwywania katalizatora i otaczajacy go. 9. Urzadzenie wedllug zastrz. 6, znamienne tym, ze wewnatrz pojedynczej oslony odpornej na dzia^ lanie wysokiego cisnienia ma równiez wymien¬ nik ciepla (2), w którym co najmniej czesc gazów zawracanych, plynacych z kosza mielszczacego ka¬ talizator, jest chlodzona posrednio za pomoca in¬ nego czynnika. 10. Urzadzenie wedlug zastrz. 6, znamienne tym, ze w reaktorze stosunek wielkosci powierzchni i© przekroju komory do mieszania (S2) do wielkosci powierzchni przekroju dyszy wylotowej (S±) wtry¬ skiwacza wynosi 3rtl—10:1, stosunek wielkosci po¬ wierzchni przekroju wylotu dyifuizora (S3) do wiel¬ kosci powierzchni, przekróju komory domieszania 20 (S2) wynosi 10.il—18:1, a stosunek dlugosci (L) ko¬ mory mieszania do srednicy (D) tej komory wy¬ nosi 6:1<—lOd. /4 \//////////// F,g /02 096 F/g '5 F'9- 4 Mj= S,5#92 096 /V/Jc- 3 ?• "«3= '7* AfJto*23'A e-WZ JV//J- 23% U f\ W s // 6 Rg.
7 Cena 10 zl PZGraf. Koszalin. D-766. Naklad 100. Format A-4 PL