DE1667323A1 - Vorrichtung fuer die katalytische Hochdrucksynthese,insbesondere fuer die Ammoniak- und Methanolsynthese - Google Patents

Vorrichtung fuer die katalytische Hochdrucksynthese,insbesondere fuer die Ammoniak- und Methanolsynthese

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Description

FRIEDRICH UHDE GMBH1 DORTMUND
Vorrichtung für die katalytische Hochdrucksynthese •insbesondere für die Ammoniak- und Methanolsynthese
Die katalytische Hochdrucksynthese zur Erzeugung von Ammoniak und Methanol ist ein exothermer Prozeß. Man ist seit jeher bestrebt, diesen Prozeß bei solchen Temperaturen ablaufen zu lassen, dass die thermischen Verhältnisse zu optimaler Reaktion, d.h. zu optimalem Umsatz führen. Die Einhaltung der günstigsten Reaktionstemperaturen geschieht durch Abkühlung der» bei der Reaktion sich stark erwärmenden Reaktionsgase. Da das Frischgas mit einer Temperatur von über 3000C auf die 1. Katalysatorschicht gegeben werden muß, wird angestrebt , das Frischgas mit dem heißen Reaktionsgas aufzuheizen.
Die Abkühlung kann nun entweder so erfolgen, dass die Reaktion fast isothermisch abläuft, wie es bei Katalysatorröhrenöfen oder Vollrauinöfen mit Kühlschlangen in der Katalysatornasse der Fall ist, oder so, dass die Abkühlung stufenweise nach einzelnen Katalysatorschüssen erfolgt, in die die gesamte Katalysatormasse aufgeteilt ist. Als Kühlmittel dient sowohl Frischgas aus dem Synthesekreislauf als auch irgendein anderes Wärmeübertragungsmedium, wie z.B. Wasser. Falls mittels kaltem oder kälterem Frischgas gekühlt wird, kann einmal das Frischgas direkt zugegeben werden, oder in Wärmetauschern aufgeheizt werden. Bei artfremdem Kühlmittel wird immer indirekter Wärmeaustausch in eingebciuton Wärmetauschern angewendet.
Es sind zahlreiche Ofentypen bekannt zur Lösung der obengenannten Forderungen. Ea ist beispielsweise bekannt, die Katalysatormasse in mehreren Lagen untereinander anzuordnen, und in die Zwischenräume mittels Mischvorrichtungen kaltes oder· vorgewärmtes Frischgas zuzumischen, oder dort Wärmetauscher für aufzuheizendes Frischgas oder für ein art-
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fremdes Wärmeübertragungsmittel einzubauen, um die Reaktionstemperaturen zu senken.
Die Ofentypen mit direkter Gaskühlung durch Zumischung von kaltem oder vorgewärmtem Frischgas haben allgemein den Nachteil, dass der Gehalt des ausreagierten Gases an Syntheseendprodukt stark verdünnt wird. Zum anderen haben sie den Nachteil, dass die Wärmebilanz ungünstig ist,· da kaltes Frischgas oder wenig vorgewärmtes reserviert werden muß, um die Regelmöglichkeit zu erhalten und daher die äquivalente Wärmemenge des reagierten Gases unausgenutzt an das Schlußkühlermedium z.B. Kühlwasser abgegeben werden muß.
Die Ofentypen mit eingebauten Wärmetauschern in der bisherigen Bauweise zwischen den Schichten haben allgemein den Nachteil, dass sie komplizierte und schwierig auszuwechselnde Einrichtungen benötigen und Abdichtungsschwierigkeiten bei den großen Temperaturdifferenzen und Druckdifferenzen auftreten.
Die Füll- und Entleerungseinrichtungen für den Katalysator müssen durch die Wärmetauscher geführt werden, Konvertertypen mit Wärmetausehern zwischen den Katalysatorschichten,wie z.B. gemäß der deutschen Patentschrift 11425b6, haben weiterhin den Nachteil, dass bei großen Konvertereinheiten, d.h. großem Durchmesser des Konverters, die Wärmetauscher ein thermodynamisch ungünstiges Durchmesser/Länge-Verhältnis bekommen. Andernfalls müßte die Einsatzbüchse eingezogen werden, was Verlust von teurem Hochdruckraum bedeutet.
Die bekannten Konstruktionslösungen für Wärmetauscher zwischen den Katalysatorschichten haben weiterhin den Nachteil, dass sie eine technische Grenze erreichen, die dadurch bedingt ist, dass bei Konvertern mit großem Innendurchmesser, 2 ra und mehr, der Verschluß (Deckel) den ganzen Durchmesser absperren muß, da sonst der Einsatz mit den Wärmetauschern
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oder die Wärmetauscher allein nicht ein- und ausbaubar sind und der Deckel so schwer und unhandlich wird durch den hohen Betriebsdruck, dass er nur mit größtem Aufwand zu handhaben ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Reaktorkonstruktion zu finden, durch die diese Nachteile der bekannten Konstruktionen überwunden werden.
Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen, insbesondere für die Ammoniaksynthese und Methanolsynthese , mit zwei oder mehreren Katalysatorlagen und im Gasweg zwischengeschalteten Wärmetauschern, wobei entweder das an einem Ende des Konverters aufgegebene kalte Eingangsgemisch einen durch den Druckmantel und den die Katalysatorbehälter umschließenden 'Einsatzmantel· gebildeten, an sich bekannten peripheren Ringraum und sodann einen am entgegengesetzten Ende des Konverters befindlichen ebenfalls an sich bekannten Hauptwärmetauscher durchströmt und aufgewärmt wird oder das in einem außenliegenden Wärmetauscher bereits vorger wärmte Eingangsgasgemisch am unteren Ende in den innen isolierten Konverter eintritt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das vorgewärmte Eingangsgasgemisch durch das Zentralrohr in der untersten Katalysatorschicht in den Wärmetauscher gelangt, der zentral in der mittleren Katalysatorschicht angeordnet ist, danach weiter aufgeheizt wird im Wärmetauscher, der ebenfalls zentral zur mittleren Katalysatorschicht angeordnet ist, und nun über das Zentralrohr auf die oberste Katalysatorschicht gelangt und in Umkehr der Strömungsrichtung die Katalysatorbehäl ter und die Wärmetauscher durchströmt und dann entweder durch den Hauptwärmetauscher oder direkt den Konverter verläßt.
Die nachfolgend an Hand der Abbildungen ausführlich beschriebene erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung führt einmal zu optimalem
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Wärmetausch in dem Ammoniakkonverter, da die Wärmetauscher mit optimalem Durchmesser/Längen-Verhältnis ausgelegt wer-•den, zum anderen bringt sie eine konstruktive Vereinfachung des Einbaus von Wärmetauschern in Katalysatorschichten und vereinfachte betriebliche Handhabe des Ofeneinsatzes bzw. der Wärmetauscher.
Die vorgenannten Vorteile und die erfindungsgemäße Gasführung werden in Hochdruckreaktoren neuer Bauart erreicht, wie sie in den Fig. 1 bis ·» dargestellt sind.
Fig. 1 stellt einen zylindrischen Hochdruckreaktor dar mit endständigem Wärmetauscher und zwei Zwischenwärmetauschern,
In Fig. 2 ist der endständige Wärmetauscher außerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet. Fig. 3 zeigt einen flaschenförmigen Hochdruckreaktor mit eingezogenem Verschluß mit ebenfalls einem endständigen Wärmetauscher und zwei Zwischenwärmetauschern .
In Fig. U ist der endständige Wärmetauscher außerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet.
.Die vorgenannten Vorteile und die erfindungsgemäße Gasführung werden in den Hochdruckreaktoren dadurch erreicht, dass das an einem Ende des Ofens bei (4) aufgegebene Frischgas entweder noch kalt ist (Fig. 1) und einen durch den Druckmantel (1,2,3) und den die Katalysatorbüchse einschließenden Einsatzmantel (6) gebildeten an sich bekannten Ringraum (5) und dann einen am entgegengesetzten Ende des Ofens befindlichen, ebenfalls an sich bekannten Hauptwärmetauscher (7) durchströmt oder (Fig.2) schon im außenliegenden Hauptwärmetauscher vorgeheizt wurde und daher nicht am oberen Ende des Ofens, sondern am unteren Ende (Ό zugegeben wird und das heiße Gas nach oben.in einem Zentralrohr (8) in der untersten Katalysatorschicht strömt, wonach es den Wärmetauscher (9) passiert, der oberhalb der letzter Katalysator-
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schicht (21) und zentral in der mittleren Katalysatorschicht (18) angeordnet ist, wobei es in Wärmetausch tritt mit dem Reaktionsgas aus der mittleren Katalysatorschicht. Auf kürzestem Wege durch das Zusatzrohr (lo) passiert das aufgeheizte Gas den Wärmetauscher (11) der ebenfalls zentral in der mittleren Katalysatorschxcht (18) angeordnet ist. In dem Wärmetauscher (11) wird das auf die Anspringtemperatur der ersten Katalysatorschicht aufzuheizende Gas im Wärmetausch mit dem Reaktionsgas aus der ersten Katalysatorschicht (IH) aufgeheizt. Das aufgeheizte Frischgas strömt dann durch das Zentralrohr (12) in der ersten Katalysatorschicht nach oben und gelangt nach Umkehrung der . Strömungsrichtung auf die erste Katalysatorschxcht (11). Es durchströmt nun zuerst diese Schicht, wird zu Reaktionsgas und gelangt dann weiter durch den Wärmetauscher (11) und in neuerlicher Umkehr in der Kammer (15) durch den durch das Leitrohr (17) gebildeten Ringraum (16) auf die mittlere Katalysatorschicht (18). Das hier durch die weitere exotherme Reaktion aufgeheizte Reaktionsgas verläßt die Katalysatorschxcht unten, durchströmt nach oben den Ringraum (19), wird durch die Umlenkkai.uier (2o) durch die Rohre des Wärmetauschers (9) geleitet. Nach Passieren dieses Wärmetauschers durchströmt das Reaktionsgas die letzte Katalysatorschxcht (21) und dann den endständigen Hauptwärmetauscher (7) um dann den Synthesekonverter bei (22) zu verlassen.
Im Falle Fig. 3 durchströmt das Reaktionsgas nach der letzten Katalysatorschicht (21) den Ringraum (26) am Wärmetauscher (7) um diesen dann von oben nach unten zu passieren. Der endständige Wärmetauscher kann auch außerhalb des Konverters angeordnet sein. Bei Fig. 1 bis 4 ist unter (13) eine elektrische Heizeinrichtung in bekannter V/eise angeordnet, !
Die Aufheizung des Konverters, d.h, wann noch keine Reaktionswärme vorhanden ist, kann auch außerhalb des Konverters erfolgen und das Gas kann durch die Bohrung (4) Fig. 2 zugeführt werden.
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Durch die an sich bekannte Unterteilung der Katalysatormasse in mehrere Lagen und Zwischenschaltung von Wärmetauschern zur Aufheizung des gesamten Frischgases im Gegenstrom zum heißen Reaktionsgas,wird einmal jede Verdünnung des zur Reaktion gebrachten .Synthesegases vermieden und zum anderen ein optimaler Temperaturkurvcnverlauf erreicht, der somit auch optimale Wirtschaftlichkeit des Konverters ergibt. Vor allem wird durch die erfindungsgemäße Führung des Frischgases und des Reaktionsgases erreicht, daß die Zwischenwärmetauscher und die Katalysatorschichtbehälter nicht mehr unbedingt eine Einheit sind, sondern separat in den Konverter ein- und ausgebaut worden können. Bei einem Schaden an den Zwischenwärmetauschern oder am Katalysator kann jeder für sich aus dem Konverter entfernt werden, außer der ersten Schicht, die bei einer Herausnahme des Zwischenwärmetauschcrs auch zu entfernen wäre. Es sind keine umständlichen Katalysatorfüll- und -entfernungsoinbnuten durch die Wärmetauscher hindurch erforderlich.
Durch den erfindungsgernäßen Einbau der Wärmetauscher zentral in die mittlere Katalysatorschicht wird erreicht, daß die Wärmetauscher mit den jeweils optimalsten Abmessungen, d.h besten Wärneübcrgangswerten und wirtschaftlichsten Rohrabmessungen ausgelegt werden können. Der Durchmesser des Wärmetauschers ist nicht mehr zwangsläufig an den Durchmesser des Konv ,rters gebunden. Bekannterweise sind bei einem Wärmetauscher gewisse Beziehungen zwischen Gasgeschwindigkeiten in den Rohren und den Spaltbreiten zwischen den Rohren für optimalen Wärmetausch einzuhalten.
Durch die erfindungsgemäße einfache, kompakte Bauweise wird teurer Hochdruckraum gespart, der vergeudet würde, wenn man die Einsatzbüchse bei den bisher bekannten Konstruktionen mit Zwischcnwärmetauschern einziehen würde.
Die erfindungsgemilße Vorrichtung erlaubt weiterhin den Einbau optimaler Wärmetauscher zwischen die Katalysatorschichten
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in Konverter mit großem Durchmesser von 2 m und mehr unter Vermeidung der obengenannten Schwierigkeiten. Der Verschluß kann auf einen Durchmesser eingezogen werden, Abb. 3,*i, der es erlaubt, einen bekannten leicht zu handhabenden Deckel zu ver- . j wenden. Dadurch ist es möglich, durch Verkürzen der Montagezeiten zu optimaler Betriebsdauer zu kommen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, vom Konverterdeckel oder -boden her durch zusätzliche Rohre (23,24,25) kaltes Frischgas zum Abbau von Temperaturspitzen zuzugeben.

Claims (8)

Patentansprüche: ^
1. Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen, insbesondere für die Ammoniaksynthese und Methanolsynthesen mit zwei oder mehreren Katalysatorlagen (11,18,21) und im Gasweg zwischengeschalteten Wärmetauschern, wobei entweder das an einem Ende des Konverters aufgegebene kalte Eingangsgemisch einen durch den Druckmantel (1,2,3) und den die Katalysatorbehälter umschließenden Einsatzmantel (6) gebildeten, an sich bekannten peripheren Ringraum (5) und sodann einen am entgegengesetzten Ende des Konverters befindlichen ebenfalls an sich bekannten Hauptwärmetauscher (7) durchströmt und aufgewärmt wird oder das in einem außenliegenden Wärmetauscher bereits vorge- wärmte Eingangsgasgemisch am unteren Ende in den innen ™ isolierten Konverter eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgewärmte Eingangsgasgemisch durch das Zentralrohr
(8) in der untersten Katalysatorschicht in den Wärmetauscher
(9) gelangt, der zentral in der mittleren Katalysatorschicht angeordnet ist, danach weiter aufgeheizt wird im Wärmetauscher (11), der ebenfalls zentral zur mittleren Katalysatorschicht angeordnet ist, und nun über das Zentralrohr (12) auf die oberste Katalysatorschicht gelangt und in Umkehr der Strömungsrichtung die Katalysatorbehälter (11,18,21) und die Wärmetauscher (9,11) durchströmt und dann entweder'durch den Hauptwärmetauscher (7) oder direkt den Konverter verläßt .
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das auf seinem Wege durch den Ringraum (5), den Hauptwärmetauscher (7), die Zwischenwärmetauscher (9,11), aufgeheizte Eingangsgasgemisch oberhalb der ersten Katalysatorschicht in bekannter V/eise durch einen elektrischen Brenner (13) erhitzt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dem aufzuheizenden Eingangsgasgemisch nach jedem Wärmetauscher kaltes Frischgas regelbar zugesetzt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bestehend aus einem Druckmantel (1 bis 3) und entweder einem die Katalysatorbehälter umschließenden oben geschlossenen Einsatzmantel (6) einem endständigen Hauptwärmetauscher (7) Fig. 1 und 3 oder einer die Katalysatorbehälter umschließenden Wärmeisolierung Fig. und U und zwei oder mehreren übereinander angeordneten im Gasweg verbundenen Katalysatorbehältern (14,18,21) dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (9,11)'zentral in der mittleren Katalysatorschicht (lo) angeordnet sind und um diese zwei Ringräume so angeordnet sind, dass das Reaktionsgas zur und von der mittleren Katalysatorschicht geführt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der beiden Wärmetauscher (7 u. 11) koaxiale Rohre zur Frischgaszuführung angeordnet sind*
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