DE1667323A1 - Device for high pressure catalytic synthesis, especially for ammonia and methanol synthesis - Google Patents
Device for high pressure catalytic synthesis, especially for ammonia and methanol synthesisInfo
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Description
FRIEDRICH UHDE GMBH1 DORTMUNDFRIEDRICH UHDE GMBH 1 DORTMUND
Vorrichtung für die katalytische Hochdrucksynthese •insbesondere für die Ammoniak- und MethanolsyntheseDevice for high pressure catalytic synthesis • especially for ammonia and methanol synthesis
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. The catalytic high pressure synthesis for the production of ammonia and methanol is an exothermic process. Efforts have always been made to run this process at temperatures such that the thermal conditions lead to an optimal reaction, ie to optimal conversion. The most favorable reaction temperatures are maintained by cooling the reaction gases, which heat up strongly during the reaction. Since the fresh gas must be added to the 1st catalyst layer at a temperature of over 300 ° C., the aim is to heat the fresh gas with the hot reaction gas.
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.The cooling can now either take place in such a way that the reaction proceeds almost isothermally, as is the case with catalyst tube furnaces or full roughness furnaces with cooling coils in the catalyst wet is the case, or so that the cooling takes place in stages after individual catalyst shots into the the entire catalyst mass is divided. Fresh gas from the synthesis cycle is used as the coolant as well as any other heat transfer medium such as water. If cooled with cold or colder fresh gas the fresh gas can be added directly or heated in heat exchangers. With alien Coolant is always built into indirect heat exchange Applied to heat exchangers.
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-Numerous types of ovens are known for solving the above requirements. Ea is known, for example, the To arrange the catalyst mass in several layers one below the other, and in the interstices by means of mixing devices cold or · to mix in preheated fresh gas, or there heat exchanger for fresh gas to be heated or for a kind of
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fremdes Wärmeübertragungsmittel einzubauen, um die Reaktionstemperaturen zu senken.to incorporate foreign heat transfer medium to reduce the reaction temperatures to lower.
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.The furnace types with direct gas cooling by adding cold or preheated fresh gas generally have the disadvantage that the content of the reacted gas is the synthesis end product is heavily diluted. On the other hand, they have the disadvantage that the heat balance is unfavorable because it is cold Fresh gas or slightly preheated gas must be reserved in order to maintain the control option and therefore the equivalent The amount of heat of the reacted gas has to be transferred unused to the final cooling medium, e.g. cooling water.
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.The furnace types with built-in heat exchangers in the previous one Structures between the layers generally have the disadvantage that they are complicated and difficult to change Facilities require and sealing difficulties with the large temperature differences and pressure differences appear.
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.The filling and emptying devices for the catalytic converter must be passed through the heat exchangers, converter types with heat exchangers between the catalyst layers, e.g. according to the German patent 11425b6, have the further disadvantage that with large converter units, i.e. large Diameter of the converter, the heat exchangers get a thermodynamically unfavorable diameter / length ratio. Otherwise the insert sleeve would have to be retracted, which means loss of expensive high-pressure space.
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 WärmetauschernThe known design solutions for heat exchangers between the catalyst layers also have the disadvantage that they reach a technical limit due to the fact that converters with a large inner diameter, 2 ra and more, the closure (cover) must shut off the entire diameter, otherwise the insert with the heat exchangers
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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.or the heat exchangers alone cannot be installed or removed and the cover becomes so heavy and unwieldy the high operating pressure that it can only be handled with great effort.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Reaktorkonstruktion zu finden, durch die diese Nachteile der bekannten Konstruktionen überwunden werden.The present invention is based on the object to find a new reactor construction through which this Disadvantages of the known constructions are overcome.
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.Thus, the invention relates to an apparatus for carrying out exothermic catalytic gas reactions, in particular for ammonia synthesis and methanol synthesis, with two or more catalyst zones and interposed in the gas path Heat exchangers, either the cold input mixture fed to one end of the converter known per se, formed by the pressure jacket and the insert jacket surrounding the catalyst container peripheral annular space and then one located at the opposite end of the converter, also known per se Main heat exchanger flows through and is warmed up or that in an external heat exchanger is already vorger warmed inlet gas mixture enters the internally insulated converter at the lower end, which is characterized in that the preheated inlet gas mixture through the central pipe in the lowest catalyst layer enters the heat exchanger, which is arranged centrally in the middle catalyst layer, then further heating is carried out in the heat exchanger, which is also arranged centrally to the middle catalyst layer, and now reaches the topmost catalyst layer via the central tube and, in reversing the direction of flow, the catalyst container ter and flows through the heat exchanger and then either through the main heat exchanger or directly leaves the converter.
Die nachfolgend an Hand der Abbildungen ausführlich beschriebene erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung führt einmal zu optimalemThe reaction device according to the invention, which is described in detail below with reference to the figures, leads on the one hand to an optimal one
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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.Heat exchange in the ammonia converter as the heat exchanger be designed with an optimal diameter / length ratio, on the other hand it brings a structural simplification of the installation of heat exchangers in catalyst layers and Simplified operational handling of the furnace insert or the heat exchanger.
Die vorgenannten Vorteile und die erfindungsgemäße Gasführung werden in Hochdruckreaktoren neuer Bauart erreicht, wie sie in den Fig. 1 bis ·» dargestellt sind.The aforementioned advantages and the gas flow according to the invention are achieved in high-pressure reactors of a new design, as shown in FIGS. 1 to · ».
Fig. 1 stellt einen zylindrischen Hochdruckreaktor dar mit endständigem Wärmetauscher und zwei Zwischenwärmetauschern,Fig. 1 shows a cylindrical high-pressure reactor with a terminal heat exchanger and two intermediate heat exchangers,
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. 2, the terminal heat exchanger is arranged outside of the high pressure reactor. Fig. 3 shows a bottle-shaped High pressure reactor with retracted closure with also a terminal heat exchanger and two intermediate heat exchangers .
In Fig. U ist der endständige Wärmetauscher außerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet.In Fig. U, the terminal heat exchanger is outside the High pressure reactor arranged.
.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-.The aforementioned advantages and the gas flow according to the invention are achieved in the high-pressure reactors in that the fresh gas fed in at one end of the furnace at (4) either is still cold (Fig. 1) and one through the pressure jacket (1,2,3) and the insert jacket enclosing the catalyst canister (6) formed per se known annular space (5) and then located at the opposite end of the furnace, also per se known main heat exchanger (7) flows through or (Fig.2) has already been preheated in the external main heat exchanger and therefore not at the top of the oven, but at the bottom (Ό is added and the hot gas flows upwards in a central tube (8) in the lowest catalyst layer, after which it flows Heat exchanger (9) happens above the last catalyst
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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.layer (21) and is arranged centrally in the middle catalyst layer (18), wherein it enters into heat exchange with the Reaction gas from the middle catalyst layer. The heated gas passes through the shortest route through the additional pipe (lo) Heat exchanger (11) which is also centrally located in the middle catalyst shaft (18) is arranged. In the heat exchanger (11), that is to be heated to the light-off temperature of the first catalyst layer Gas is heated in heat exchange with the reaction gas from the first catalyst layer (IH). The heated one Fresh gas then flows up through the central tube (12) in the first catalyst layer and, after the reversal of the. Direction of flow onto the first catalyst shaft (11). It now flows through this layer first, becomes reaction gas and then passes through the heat exchanger (11) and again Reversal in the chamber (15) through the guide tube (17) formed annular space (16) on the middle catalyst layer (18). The one heated up here by the further exothermic reaction Reaction gas leaves the catalyst chamber at the bottom, flows through the annular space (19) upwards, and passes through the deflection quay (2o) passed through the tubes of the heat exchanger (9). After passing through this heat exchanger, the reaction gas flows through the last catalyst layer (21) and then the terminal main heat exchanger (7) and then the synthesis converter at (22) to leave.
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, ! In the case of FIG. 3, after the last catalyst layer (21), the reaction gas flows through the annular space (26) on the heat exchanger (7) in order to then pass it from top to bottom. The terminal heat exchanger can also be arranged outside the converter. In Fig. 1 to 4 an electrical heating device is arranged in a known V / eise under (13) ,!
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.The heating of the converter, i.e. when there is still no heat of reaction is available, can also be done outside the converter and the gas can be supplied through the bore (4) Fig. 2.
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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.The known subdivision of the catalyst mass into several layers and the interposition of heat exchangers for The entire fresh gas is heated in countercurrent to the hot reaction gas, every dilution of the reacted is done once .Synthesis gas avoided and, on the other hand, an optimal temperature curve is achieved, which is also optimal economic efficiency of the converter results. Above all, the inventive guidance of the fresh gas and the reaction gas is achieved that the intermediate heat exchanger and the catalyst layer container are no longer necessarily a unit, but can be installed and removed separately in the converter. at Any damage to the intermediate heat exchangers or to the catalytic converter can be removed from the converter, except the first layer, which occurs when the intermediate heat exchanger is removed would also have to be removed. There are no cumbersome catalyst filling and removal slots through the heat exchangers required through.
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. The central installation of the heat exchanger according to the invention in the middle catalyst layer is achieved that the Heat exchangers with the most optimal dimensions, i.e. the best heat transfer values and the most economical tube dimensions can be interpreted. The diameter of the heat exchanger is no longer necessarily related to the diameter of the conv, rter bound. It is known that in a heat exchanger there are certain relationships between gas velocities in the tubes and the Maintain gap widths between the pipes for optimal heat exchange.
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.The simple, compact design according to the invention saves expensive high-pressure space which would be wasted if the Insert sleeve in the previously known constructions with intermediate heat exchangers would move in.
Die erfindungsgemilße Vorrichtung erlaubt weiterhin den Einbau optimaler Wärmetauscher zwischen die KatalysatorschichtenThe device according to the invention also allows installation optimal heat exchanger between the catalyst layers
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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.in converters with a large diameter of 2 m and more, avoiding the above-mentioned difficulties. The closure can be drawn in to a diameter, Fig. 3, * i, which allows a known, easy-to-use cover to be fitted. j turn around. This makes it possible to achieve an optimal operating time by shortening the assembly times.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, vom Konverterdeckel oder -boden her durch zusätzliche Rohre (23,24,25) kaltes Frischgas zum Abbau von Temperaturspitzen zuzugeben.The device according to the invention allows the converter cover to add cold fresh gas through additional pipes (23,24,25) to reduce temperature peaks.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EHV | Ceased/renunciation |