DE1258851B

DE1258851B - Verfahren und Vorrichtung zur Kuehlung der Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese

Info

Publication number: DE1258851B
Application number: DEZ11563A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Wactaw Hennel
Original assignee: ZAKLADY AZOTOWE KEDZIERZYN FA
Current assignee: ZAKLADY AZOTOWE KEDZIERZYN FA
Priority date: 1964-09-18
Filing date: 1965-05-28
Publication date: 1968-01-18
Also published as: GB1125583A; NL6509575A; US3403000A; DK112444B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

COIc

Deutsche Kl.: 12 k-1/04

Nummer: 1258 851

Aktenzeichen: Z11563IV a/12 k

Anmeldetag: 28. Mai 1965

Auslegetag: 18. Januar 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung der Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese durch Wärmeaustausch mit dem verflüssigten Syntheseammoniak, das anschließend unter Arbeitsleistung entspannt wird.

Bei diesem bekannten Verfahren wird das erzeugte Ammoniak, bevor es zur Kühlung des Reaktionsgases verwendet wird, in einer Drosseleinrichtung auf einen Teildruck entspannt. Der verbleibende Restdruck des Ammoniaks wird dann zum Antrieb einer Kraftmaschine benutzt.

Bei anderen bekannten katalytischen Ammoniakherstellungsverfahren unter Hochdruck wird die Reaktionswärme nicht ausgenutzt, oder sie wird zur Herstellung von Wasserdampf von niedrigem Druck verwendet, der keine Arbeit leisten kann und zu Heizzwecken außerhalb der Anlage dient.

Auch dieses bekannte Verfahren führt also nur zu einer mangelhaften Ausnutzung der Reaktionswärme.

Das Verfahren gemäß Erfindung nutzt die Reaktionswärme besser aus. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des Syntheseammoniaks und dessen Einsatz als Kühlmittel bei einem Druck erfolgen, der demjenigen im Reaktionsraum entspricht, und daß bei der Arbeitsleistung nur auf einen Druck entspannt wird, der die Wiederverflüssigung durch Luft- oder Wasserkühlung erlaubt.

Hieraus ergeben sich insbesondere die Vorteile, daß infolge der hohen Synthesetemperatur eine sehr große Arbeitsleistung gewonnen wird und die Verflüssigung des Ammoniaks ohne mechanische Arbeitsleistung erfolgen kann, wenn das Ammoniak in flüssigem Zustand gewonnen werden soll.

Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Erfindung. Diese Vorrichtung besitzt eine Turbine zur Verwertung der Energie des zu entspannenden flüssigen Ammoniaks und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine mit einem von ihr angetriebenen Turboverdichter in einem gemeinsamen Hochdruckgehäuse angeordnet ist, welches auch die Welle des Aggregats vollständig umgibt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm;

F i g. 2 zeigt eine-Vorrichtung gemäß Erfindung mit dem zur Reaktionszirkulation angewendeten Aggregat Turbine-Turboverdichter;

F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung mit einem Injektor.

Das in F i g. 1 dargestellte Diagramm zeigt die thermodynamischen Vorgänge bei einem als Beispiel

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung der
Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese

Anmelder:

Fa. Zaklady Azotowe Kf dzierzyn,

Przedsiebiorstwo Panstwowe (Polen)

Vertreter:

Dr. W. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf,

Patentanwälte, 8000 München 2, Hilblestr. 20

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Wactaw Hennel, Kgdzierzyn (Polen)

Beanspruchte Priorität:

Polen vom 18. September 1964 (105 760)

gewählten Verfahren gemäß der Erfindung. Die Linie A-B zeigt hier die isobare Erwärmung des Ammoniaks bei einem Druck, der angenähert gleich dem Druck ist, bei dem er aus dem Endgas kondensiert wurde. Die Linie B-C stellt die Expansion mit Arbeitsleistung und die Linie C-D die Kondensation dar.

Die Anwendung des Verfahrens gemäß Erfindung ist insbesondere dann günstig, wenn die Arbeitsleistung zur Gaskompression in der gleichen Ammoniakanlage angewendet wird. Die Verwendung des Ammoniaks als energetisches Medium, also derselben Substanz, welche als Endprodukt erhalten wird, ergibt eine Vereinfachung der Anlage und neue Möglichkeiten zur Anwendung von Turbokompressoren. Da der kritische Punkt von Ammoniak etwa bei 132° C und etwa 115 kg/cm² liegt und da der Druck der Ammoniaksynthese wesentlich höher liegt, erfolgt kein Verdampfen. Während des Wärmeaustausches des sich bereits in überkritischem Zustand befindlichen Ammoniaks mit den Reaktionsgasen wird das Ammoniak auf eine Temperatur erwärmt, welche weit über der kritischen Temperatur liegt. In diesem überhitzten Zustand wird das Ammoniakgas der Arbeitsmaschine zugeführt. Dabei wird, wie in F i g. 1 gezeigt ist, eine sehr große Arbeitsleistung verfügbar. Die Entspannung wird beim Verfahren gemäß Erfindung nur so weit geführt, daß eine Wiederverflüssigung des Ammoniaks mittels Kühlwasser oder Luft möglich ist.

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Ein wichtiges Element der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Erfindung ist ein an sich bekannter Wärmeaustauscher. In diesem Wärmetauscher gibt das Reaktionsgas seine Wärme dem hochkompremierten Ammoniak ab. Der zu diesem Zweck verwendete Wärmetauscher unterscheidet sich von den üblichen Wasserdampfkesseln zur Wiedergewinnung der Reaktionswärme dadurch, daß seine wärmeleitenden Wände der Druckdifferenz von ein paar Atmosphären ausgesetzt sind und nicht dem vollen Hochdruck des Prozesses. Demzufolge ist der Wärmetauscher viel kleiner und billiger und kann leicht teilweise oder ganz innerhalb des Reaktors eingebaut werden.

Ein weiteres bedeutendes Element der Vorrichtung gemäß Erfindung ist ein Aggregat zum Ausnutzen des Ammoniakdrucks zur Arbeitsleistung. Es besteht aus einer Turbine und einem Turboverdichter (Turbokompressor), die im gemeinsamen Hochdruckgehäuse vorgesehen sind. Die Welle des Aggregats befindet sich vollständig innerhalb des Gehäuses, wodurch die größte Schwierigkeit in der Anwendung von Turboverdichtern beim hohen Druck, nämlich das Abdichten der Welle, gelöst ist. Bei entsprechender Stellung der Turbine und des Verdichters innerhalb des Gehäuses wird an der Welle eine Druckdifferenz von höchstens ein paar Atmosphären wirksam.

Das Abdichten der drehbaren Welle auf diese kleine Druckdifferenz bildet keine Schwierigkeit. Der Turbinenantrieb des Turboverdichters ermöglicht höhere Umdrehungszahlen als in üblichen Lösungen dieser Hochdruckverdichter mit elektrischem Antrieb. Aus diesem Grund weist die Turbine und der Verdichter kleine Dimensionen auf.

Das Aggregat Turbine—Turboverdichter in der Vorrichtung gemäß Erfindung findet insbesondere Anwendung zur Zirkulation der Gase im Kreislauf. Eine andere mögliche Anwendung ist die Kompression des Frischgases, das zum Kreislauf zugeleitet wird. Bislang ist es nicht gelungen, zum Kornprimieren des Frischgases ausschließlich nur Turbokompressoren anzuwenden. In den üblichen Anlagen wird Frischgas mittels eines Turbokompressors höchstens bis zu 100 bis 200 Atmosphären komprimiert, und eine weitere Kompression wird mittels eines Kolbenkompressors erzielt. Das Aggregat gemäß Erfindung, das die Energie des überhitzten hochkomprimierten Ammoniaks ausnutzt, ist besonders zur Endkomprimierung des Frischgases geeignet, so daß kein Kolbenkompressor notwendig ist.

Eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Erfindung weist einen Injektor auf, mit dessen Hilfe die Arbeitsleistung des überhitzten hochkomprimierten Ammoniaks ausgenutzt und im Kühlungssystem der gleichen Anlage angewendet wird. Durch Verwendung des Ammoniaks als Kühlungs- und Zirkulationsmedium wird eine beträchtliche Vereinfachung und Verbilligung der Konstruktion erzielt.

Tn Fig. 2 ist der Wärmetauscher 1 innerhalb eines Hochdruckgehäuses 2 des Reaktors gezeigt, welcher eine katalytische Kammer 3 und einen Wärmeaustauscher 4 aufweist. Das Ammoniak wird dem Wärmetauscher 1 durch Vorwärmer 5 zugeführt. Eine Turbine 7 und ein Turboverdichter 8, die beide in einem gemeinsamen Hochdruckgehäuse 6 vorgesehen sind, bilden ein Aggregat zum Zirkulieren des Gases im Synthesekreislauf. Der Luft- oder Wasserkondensator 9 kondensiert das Ammoniak, nachdem es Arbeit geleistet hat. Das fertige Produkt wird in einem Behälter 10 gesammelt. Das in vereinfachter Form dargestellte klassische System zur Kühlung und Abscheidung des flüssigen Ammoniaks aus dem Endprodukt ist mit 11 bezeichnet. Eine Leitung 12 führt Frischgas zu und eine Leitung 13 führt das Abgas ab. Die Leitungen 14 und 15 dienen zum Ein- und Abführen des als Kühlungsmedium angewendeten Ammoniaks. Der Wasser- oder Luftkühler des Endgases ist mit 16 und der Kompressor des Frischgases mit 17 bezeichnet. Die Leitungen 18 und 19 dienen zum Antrieb der Turbine 7 mit Hilfe des Frischgases beim Anlauf der Anlage.

In F i g. 3 ist nur ein Teil der Vorrichtung zur Ammoniaksynthese dargestellt, um eine Abänderung der Vorrichtung gemäß Erfindung zu veranschaulichen. Die in F i g. 3 gezeigten Teile haben die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in Fig. 2. Die Antriebsleitung eines Injektors 20 ist mit dem Wärmetauscher 1 verbunden; seine Saugleitung ist mit dem Ammoniakverdampfer 11 und der Auslauf mit dem Kondensator 9 verbunden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kühlung der Reaktionsgase bei der Ammoniaksynthese durch Wärmetausch mit dem verflüssigten Syntheseammoniak, das anschließend unter Arbeitsleistung entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des Syntheseammoniaks und dessen Einsatz als Kühlmittel bei einem Druck erfolgen, der demjenigen im Reaktionsraum entspricht, und daß bei der Arbeitsleistung auf einen Druck entspannt wird, der die Wiederverflüssigung durch Luft- oder Wasserkühlung erlaubt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Turbine zur Verwertung der Energie des zu entspannenden flüssigen Ammoniaks, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (7) mit einem von ihr angetriebenen Turboverdichter (8) in einem gemeinsamen Hochdruckgehäuse angeordnet ist, welches auch die Welle des Aggregats vollständig umgibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 851492.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen