DE1667323B2 - Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen für die Ammoniak- und Methanol-Synthese - Google Patents

Description

torgefüllten Rohr verschieden stark gekühlt je nach ihrer Lage im Querschnitt des Konverters. Betrieblich hat diese Vorrichtung den Nachteil, daß ihre Teile nicht einzeln ein- und ausgebaut werden können und ein Gefäßdeckel benötigt wird mit dem vollen Durchmesser des Gefäßes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Reaktorkonstruktion zu finden, durch die Nachteile der bekannten Konstruktionen überwunden werden.

Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen für die Ammoniak- und Methanol-Synthese, die sich dadurch kennzeichnet, daß zwei Gas/Gas-Wärmetauscher übereinander und zentral in der mittleren Katalysatorschicht angeordnet sind, daß die mittlere Katalysatorschicht in einem Ringraum angeordnet ist, der gebildet wird durch den Einsatzmantel und das Leitrohr, welches kürzer ist als die Gesamtlänge der beiden Wärmetauscher, der Durchmesser des Leitrohres größer ist als der Durchmesser der Wärmetauschermäntel, damit einen freien Ringraum zwischen diesen lassend, die beiden Wärmetauscher mantelseitig durch ein zwischen ihnen und zentral angeordnetes Verbindungsrohr gekoppelt sind, die radiale Verlängerung der oberen Rohrbodenplatte des oberen Wärmetauschers und die radiale Verlängerung der unteren Rohrbodenplatte des unteren Wärmetauschers die Wärmetauscher gegenüber dem Einsatzmantel abdichten, und einem Trennblech zwischen dem Verbindungsrohr und dem zylindrischen Leitrohr, wodurch eine freie Verbindung zwischen Rohraustrittsseite des ersten Wärmetauschers und Eintrittsseite der mittleren Katalysatorschicht und zwischen Austrittsseite der mittleren Katalysatorschicht und Rohreintrittsseite des zweiten Wärmetauschers geschaffen wird.

Die nachfolgend an Hand der Abbildung ausführlich beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung führt einmal zu optimalem Wärmetausch in dem Ammoniakkonverter, da die Wärmetauscher mit optimalem Durchmesser/Längen-Verhältnis entsprechend den vorliegenden Gasmengen und erforderlichen Gasgeschwindigkeiten ausgelegt werden, zum anderen bringt sie eine konstruktive Vereinfachung des Einbaus von Wärmetauschern in Katalysatorschichten und vereinfachte betriebliche Handhabe des Ofeneinsatzes bzw. der Wärmetauscher.

Vor allem wird durch die erfindungsgemäße Reduzierung der Außendurchmesser der Zwischenwärmetauscher erreicht, daß die Zwischenwärmetauscher und die Katalysatorschichten nicht mehr unbedingt eine Einheit sind, sondern separat in den Konverter ein- und ausgebaut werden 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 Zwischenwärmetauschers auch zu entfernen ist. Es sind keine umständlichen Katalysatorfüll- und -Leereinbauten durch die Wärmetauscher hindurch erforderlich.

Durch den erfindungsgemäßen Einbau der Wärmetauscher zentral in die mittlere Katalysatorschicht wird erreicht, daß die Wärmetauscher mit den jeweils optimalsten Abmessungen, d. h. besten Wärmeübergangswerten und wirtschaftlichsten Rohrabmessungen ausgelegt werden können. Der Durchmesser des Wärmetauschers ist nicht mehr zwangläufig an den Durchmesser des Konverters gebunden. Bekannterweise sind bei einem Wärmetauscher gewisse Beziehungen zwischen Gasgeschwindigkeiten in den Rohren und den Spaltbreiten zwischen den Rohren für 5 optimalen Wärmeaustausch einzuhalten.

Durch die erfindungsgemäße einfache kompakte Bauweise wird teurer Hochdruckraum gespart, der vergeudet würde, wenn die Einsatzbüchse bei den bisher bekannten Konstruktionen mit Zwischenwärmetauschern eingezogen werden müßte.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt weiterhin den Einbau optimaler Wärmetauscher zwischen die Katalysatorschichten in Konverter mit großem Durchmesser von 2 m und mehr unter Vermeidung der obengenannten Schwierigkeiten. Der Verschluß kann auf einen Durchmesser eingezogen werden, der es erlaubt, einen bekannten leicht zu handhabenden Deckel zu verwenden. Dadurch ist es möglich, durch Verkürzen der Montagezeiten zu optimaler Betriebsdauer zu gelangen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den F i g. 1 bis 4 dargestellt. Der Aufbau der Vorrichtung wird am Beispiel ihrer verfahrenstechnischen Wirkungsweise beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen zylindrischen Hochdruckreaktor mit endständigen Wärmetauschern und zwei Zwischenwärmetauschern; in

F i g. 2 ist der endständige Wärmetauscher außerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet;

F i g. 3 zeigt einen flaschenförmigen Hochdruckreaktor mit eingezogenem Verschluß mit ebenfalls einem endständigen Wärmetauscher und zwei Zwischenwärmetauschern ; in

F i g. 4 ist der endständige Wärmetauscher außerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet.

Die genannten Vorteile werden in den Hochdruckreaktoren dadurch erreicht, daß entweder an einem Ende des Ofens bei 4 aufgegebenes Frischgas noch kalt ist (F i g. 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 (F i g. 2) schon im außenliegenden Hauptwärmetauscher vorgeheiztes Frischgas am unteren Ende 4 zugegeben wird und das heiße Gas nach oben strömt in einem Zentralrohr 8 in der untersten Katalysatorschicht, wonach es den Wärmetauscher 9 passiert, der oberhalb der letzten Katalysatorschicht 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 Verbindungsrohr 10 passiert das aufgeheizte Gas den Wärmetauscher 11, der ebenfalls zentral in der mittleren Katalysatorschicht 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 14 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 Katalysatorschicht

14. 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 gebil-

deten Ringraum 16 auf die mittlere Katalysatorschicht 18. Das hier durch die weitere exotherme Reaktion aufgeheizte Reaktionsgas verläßt die Katalysatorschicht unten, durchströmt nach oben den Ringraum 19 und wird durch die Umlenkkammer 20 durch die Rohre des Wärmetauschers 9 geleitet. Die radiale Verlängerung der oberen Rohrbodenplatte 26 des oberen Wärmetauschers 11 und die radiale Verlängerung der unteren Rohrbodenplatte 26 des unteren Wärmetauschers 9 dichten die Wärmetauscher gegenüber dem Einsatzmantel 6 ab. Das Trennblech 27 dichtet das Verbindungsrohr 10 gegenüber dem Leitrohr 17 ab, wodurch das Reaktionsgas aus dem Wärmetauscher 11 in den Ringraum 16 und das Reaktionsgas aus dem Ringraum 19 in den Wärmetauscher 9 geleitet wird. Nach Passieren dieses Wärmetauschers durchströmt das Reaktionsgas die letzte Katalysatorschicht 21 und dann den endständigen Hauptwärmetauscher 7, um dann den Synthesekonverter bei 22 zu verlassen.

Im Fall F i g. 3 durchströmt das Reaktionsgas nach der letzten Katalysatorschicht 21 den Ringraum 28 am Wärmetauscher 7, um diesen dann von oben nach unten zu passieren. Der endständige Wärmetauscher kann auch außerhalb des Konverters angeordnet sein.

Bei F i g. 1 bis 4 ist unter 13 eine elektrische Heizeinrichtung in bekannter Weise angeordnet.

Die Aufheizung des Konverters, d. h. wenn noch keine Reaktionswärme vorhanden ist, kann auch außerhalb des Konverters erfolgen, und das Gas kann durch die Bohrung 4 (F i g. 2) zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, vom Konverterdeckel oder -boden her durch zusätzliche Rohre 23, 24, 25 kaltes Frischgas zum Abbau von Temperaturspitzen zuzugeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

Frischgas gekühlt wird, kann einmal das Frischgas

Patentanspruch: direkt zugegeben werden, oder in Wärmetauschern

aufgeheizt werden. Bei artfremdem Kühlmittel wird

Vorrichtung zur Durchführung exothermer, immer indirekter Wärmeaustausch in eingebauten katalytischer Gasreaktionen für die Ammoniak- 5 Wärmetauschern angewendet.

und Methanol-Synthese, im wesentlichen beste- Es sind zahlreiche Ofentypen bekannt zur Lösung

hend aus einem Hochdruckmantel (2) und einem der obengenannten Forderungen. Es ist beispiels-Einsatzmantel (6), der mindestens drei übereinan- weise bekannt, die Katalysatormasse in mehreren Lader angeordnete Katalysatorlagen und zwei Gas/ gen untereinander anzuordnen und in die Zwischen-Gas-Wärmetauscher in Rohrbündelart enthält io räume mittels Misch vorrichtungen kaltes oder vorge- und die oberste und unterste Katalysatorlage je wärmtes Frischgas zuzumischen oder dort Wärmeein Zentralrohr enthalten, gekennzeichnet tauscher für aufzuheizendes Frischgas oder für ein durch zwei Gas/Gas-Wärmetauscher (9, 11), artfremdes Wärmeübertragungsmittel einzubauen, die übereinander und zentral in der mittleren Ka- um die Reaktionstemperaturen zu senken,
talysatorschicht angeordnet sind, die mittlere Ka- 15 Die Ofentypen mit direkter Gaskühlung durch Zutalysatorlage in einem Ringraum angeordnet ist, mischung von kaltem oder vorgewärmtem Frischgas der gebildet wird durch den Einsatzmantel (6) haben allgemein den Nachteil, daß der Gehalt des und das Leitrohr (17), welches kürzer ist als die ausreagierten Gases an Syntheseendprodukt stark Gesamtlänge der beiden Wärmetauscher, der verdünnt wird. Zum anderen haben sie den Nachteil, Durchmesser des Leitrohres (17) größer ist als 20 daß die Wärmebilanz ungünstig ist, da kaltes Frischder Durchmesser der Wärmetauschermäntel, da- gas oder wenig vorgewärmtes reserviert werden muß, mit einen freien Ringraum (16) zwischen diesen um die Regelmöglichkeit zu erhalten, und daher die lassend, die beiden Wärmetauscher mantelseitig äquivalente Wärmemenge des reagierten Gases undurch ein zwischen ihnen und zentral angeordne- ausgenutzt an das Schlußkühlermedium, z. B. Kühltes Verbindungsrohr (10) gekoppelt sind, die ra- 25 wasser, abgegeben werden muß.
diale Verlängerung der oberen Rohrbodenplatte Die Ofentypen mit eingebauten Wärmetauschern

(26) des oberen Wärmetauschers und die radiale in der bisherigen Bauweise zwischen den Schichten Verlängerung der unteren Rohrbodenplatte (26) haben allgemein den Nachteil, daß sie komplizierte des unteren Wärmetauschers die Wärmetauscher und schwierig auszuwechselnde Einrichtungen benögegenüber dem Einsatzmantel abdichten, und 30 tigen und Abdichtungsschwierigkeiten bei den groeinem Trennblech (27) zwischen dem Verbin- ßen Temperaturdifferenzen und Druckdifferenzen dungsrohr (10) und dem zylindrischen Leitrohr auftreten.

(17), wodurch eine freie Verbindung zwischen Die Füll- und Entleerungseinrichtungen für den

Rohraustritt des ersten Wärmetauschers und Ein- Katalysator müssen durch die Wärmetauscher getrittsseite der mittleren Katalysatorlage und zwi- 35 führt werden, Konvertertypen mit Wärmetauschern sehen Austrittsseite der mittleren Katalysatorlage zwischen den Katalysatorschichten, wie z. B. gemäß und Rohreintrittsseite des zweiten Wärmetau- der deutschen Patentschrift 1142 586, haben weiterschers geschaffen wird. hin den Nachteil, daß bei großen Konvertereinheiten,

d. h. großem Durchmesser des Konverters, die Wär-40 metauscher ein thermodynamisch ungünstiges Durchmesser/Länge-Verhältnis bekommen. Andernfalls

müßte die Einsatzbüchse eingezogen werden, was

Verlust von teurem Hochdruckraum bedeutet.

Die bekannten Konstruktionslösungen für Wärme-45 tauscher zwischen den Katalysatorschichten haben

Die katalytische Hochdrucksynthese zur Erzeu- weiterhin den Nachteil, daß sie eine technische gung von Ammoniak und Methanol ist ein exother- Grenze erreichen, die dadurch bedingt ist, daß bei mer Prozeß. Man ist seit jeher bestrebt, diesen Pro- Konvertern mit großem Innendurchmesser, 2 m und zeß bei solchen Temperaturen ablaufen zu lassen, mehr, der Verschluß (Deckel) den ganzen Durchmesdaß die thermischen Verhältnisse zu optimaler Reak- 5° ser absperren muß, da sonst der Einsatz mit den tion, d. h. zu optimalem Umsatz führen. Die Einhai- Wärmetauschern oder die Wärmetauscher allein tung der günstigsten Reaktionstemperaturen ge- nicht ein- oder ausbaubar sind und der Deckel so schieht durch Abkühlung der bei der Reaktion sich schwer und unhandlich wird durch den hohen Bestark erwärmenden Reaktionsgase. Da das Frischgas triebsdruck, daß er nur mit größtem Aufwand zu mit einer Temperatur von über 300° C auf die 1. 55 handhaben ist.

Katalysatorschicht gegeben werden muß, wird ange- Vorrichtungen gemäß der deutschen Patentschrift

strebt, das Frischgas mit dem heißen Reaktionsgas 1 217 934 mit einem Einsatz, der abschnittsweise aus aufzuheizen. katalysatorgefüllten Rohren besteht, die von aufzu-

Die Abkühlung kann nun entweder so erfolgen, heizendem Gas umspült werden, sind thermodynadaß die Reaktion fast isothermisch abläuft, wie es bei 60 misch schlecht regelbar, arbeiten bei zu hohen Kata-Katalysatorröhrenöfen oder Vollraumöfen mit Kühl- lysatortemperaturen und sind konstruktiv und beschlangen in der Katalysatormasse der Fall ist, oder trieblich sehr kompliziert. In den engen katalysatorso, daß die Abkühlung stufenweise nach einzelnen gefüllten Rohren entstehen infolge der Form des Ka-Katalysatorschüssen erfolgt, in die die gesamte Kata- talysators oft Hohlräume, die zu ungleichmäßiger lysatormasse aufgeteilt ist. Als Kühlmittel dient so- 65 Katalysatorbelastung und damit zum Festbrennen wohl Frischgas aus dem Synthesekreislauf als auch des Katalysators führen. Bei großen Durchmessern irgendein anderes Wärmeübertragungsmedium, wie des Katalysatorraumes werden infolge der radialen z. B. Wasser. Falls mittels kaltem oder kälterem Gasströmung um die Schikanenbleche die katalysa-