DE1667323C3

DE1667323C3 - Vorrichtung zur Durchführung exothermer katalytischer Gasreaktionen für die Ammoniak- und Methanol-Synthese

Info

Publication number: DE1667323C3
Application number: DE1667323A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Laukel; Klaus-Juergen Dipl.-Ing.Dr. Mundo
Original assignee: Friedrich Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 1967-11-21
Filing date: 1967-11-21
Publication date: 1974-11-21
Also published as: FR1592697A; BE724240A; DE1667323B2; NL6816483A; DE1667323A1

Description

talysatorlage in einem Ringraum angeordnet ist, mischung von kaltem g"™^^*™*** der gebildet wird durch den Einsatemantel (6) haben -gemein den Nach te. daß de Gehalt des und das Leitrohr (17), welches kürzer ist als die ausreagierten Gases an Syntheseendprodukt sark Gesamtlänge der beiden Wärmetauscher, der verdünnt wird. Zum anderen haben _S,, _ π Jachtel. Durchmesser Jes Leitrohres (17) größer ist als *> daß die Wärmeb.lanz ungünstig ,st, da kalt, Fr.sc der Durchmesser der Wärmetauscherniäntel, da- gas oder wenig vorgewärmtes resemer *erckn muß, mit einen freien Rineraum (16) zwischen diesen um die Regelmogl.chkeit zu erhalten, und daher dalassend, die beiden Wärmetauscher mantelseitig äquivalente Wärmemenge des reagierten Gases undurch ein zwischen ihnen und zentral angeordne- ausgenutzt an das Schlußkuhlermed.um. z. B. kuhltes Verbindungsrohr (10) gekoppelt sind, die ra- *5 wasser, abgegeben werden muLS.
diale Verlängerung der oberen Rohrbodenplatte Die Ofeimpen mit eingebauten Wärmetauschern

(26) des oberen Wärmetauschers und die radiale in der bisherigen Beweise zwischen den Schichten Verlängerung der unteren Rohrbodenplatte (26) haben allgemein den Nachte. , daß sie komplizierte des unferen Wärmetauschers die Wärmetauscher und schwierig auszuwechselnde Einrichtungen benogegcniiber den Einsatzmante! abdichten, und 30 tigen und Abdicim.ngsschw.er.gkeiten bei den groeinem Trennblech (27) zwischen dem Verbin- Ben Temperaturdifferenzen und Druckdifferenzen dunusrohr (W) und den zvIi; irischen Leitrohr auftreten.

(17X wodurch eine freie Verbindung zwischen Die Füll- und Eiitlccrungseinrichtungen ur den

Rohraustritt des ersten Wärmetauschers und Ein- Katalysator müssen durch d.e Wärmetauscher getrittsseite der mittleren Katalvsatorlage und zwi- 35 führt werden. Konvertertypen mit Wärmetauschern sehen Austrittsseite der mittleren Katalvsatorlage zwischen den Katalysatorschichten wie z^B. gemäß und Rohreintrittsseite des zweiten Wärmetau- der deutschen Patentschrift 1 142 386, haben weiterschcrs geschaffen wird. hin den Nachteil, daß bei großen Konvertereinheiten,

d.h. iiroßem Durchmesser des Konverters, die War-

40 metauscher ein thermodynamisch ungünstiges Durch-

messer'Länge-Verhältnis bekommen. Andernfalls

müßte die Einsatzbüchse eingezogen werden. wa>

Verlust von teurem Hochdruckraum bedeutet.

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

Die katalytische Hochdrucksynthese zur Erzeu- weiterhin den Nachteil, daß sie eine technische gung von Ammoniak und Methanol ist ein exolher- Grenze erreichen, die dadurch bedingt ist. daß bc mer Prozeß. Man ist seit jeher bestrebt, diesen Pro- Konvertern mit großem Innendurchmesser, - m unc zeß bei solchen Temperaturen ablaufen zu lassen. mehr, der Verschluß (Deckel) den ganzen Durcnmesdaß die thermischen Verhältnisse zu optimaler Reak- 50 scr absperren muß. da sonst der Einsatz mit der tion., d. h. zu optimalem Umsatz führen. Die Einhai- Wärmetauschern oder die Wärmetauscher allen Hing der günstigsten Reaktionstemperaturen ge- nicht ein- oder ausbaubar sind und der Deckel si schicht durch Abkühlung der bei der Reaktion sich schwer und unhandlich wird durch den hohen Bestärk erwärmenden Reaktionsgase. Da das Frischgas triebsdruck, daß er nur mit größtem Aufwand zi mit einer Temperatur von über 300"C auf die 1. 55 handhaben ist.

Katalysatorschicht gegeben werden muß. wird atme- Vorrichtungen gemäß der deutschen Patenlschrif

strebt, das Frischgas mit dem heißen RcaktionsÜas 1 217 934 mit einem Einsatz, der abschnittsweise au: aufzuheizen. " katalysatorgefülltcn Rohren besteht, die von aufzu

Die Abkühlung kann nun entweder so erfolgen, heizendem Gas umspült werden, sind thermodyna daß die Reaktion fast isothermisch abläuft, wie es bei 60 misch schlecht regelbar, arbeiten bei zu hohen Kata Katalysatorröhrenöfen oder Vollraumöfen mit Kühl- lysatortempcraluren und sind konstruktiv und be schlangen in der Katalysatormassc der Fall ist. oder trieblich sehr kompliziert. In den engen katalysator so, 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 ungleichmäßige lysatormasse aufgeteilt ist. Als Kühlmittel dient so- 65 Katalysatorbelastung und damit zum Festbrennei wohl Frischgas aus dem Synthesekreislauf als auch dos Katalysators führen. Bei großen Durchmessen irgendein anderes Wärmeübertragungsmedium, wie des Katalysatorraumes weiden infolge der radiale! z.B. Wasser. Falls mittels kaltem ode;· kälicrcni Gasströmung um die Schikancnbleche die katalysa

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torgefüllten Rohr verschieden stark gekühlt je nach Durchmesser des Konverters gebunden. Bekannter ihrer Lage im Querschnitt des Konverters. Betrieb- weise sind bei einem Wärmetauscher gewisse Be7ie lieh hat diese Vorrichtung den Nachteil, daß ihre hungen zwischen Gasgeschwindigkeiten in den Roh Teile nicht einzeln ein- und ausgebaut werden kön- ren und den Spaltbreiten zwischen den Rohren füi nen und ein Gefäßdeckel benötigt wird mit dem vol- 5 optimalen Wärmeaustausch einzuhalten,
len Durchmesser des Gefäßes. Durch die erfindungsgemäße einfache kompakt«

Uer vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- Bauweise wird teurer Hochdruckraum gespart, dei gründe, eine neue Reaktorkonstruktion zu finden, vergeudet würde, wenn die Einsatzbuchse bei der durch die Nachteile der bekannten Konstruktionen bisher bekannten Konstruktionen mit Zwischcnw^rüberwunden werden. _{10 me}tauschern eingezogen werden müßte.

!somit bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrich- Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt weiter-

tung zur Durchführung exothermer katalytischer hin den Einbau optimaler Wärmetauscher zwischer Oasreaktionen fur die Ammoniak- und Methanol- die Katalysatorschichten in Konverter mit großem Synthese, die sich dadurch kennzeichnet, daß zwei Du.chmesser von 2 m und mehr unter Vermeidung Oas/Gas-Warmetauscher übereinander und zentral in 15 der obengenannten Schwierigkeiten. Der Verschluß der mittleren Katalysatorschicht angeordnet sind. kann auf einen Durchmesser eingezogen werden, der da« die mittlere Katalysatorschicht in einem Ring- es erlaubt, einen bekannten leicht zu handhabenden raum angeordnet ist, der gebildet wird durch den Deckel zu verwenden. Dadurch ist es möglich, durch ttnsatzmantel und das Leitrohr, welches kürzer ist Verkürzen der Montagezeiten zu optimaler Betriebsam die Gesamtlänge der beiden Wärmetauscher, der 20 dauer zu gelangen.

Durchmesser des Leitrohres größer ist als der Durch- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den

messer der Wärmetauschermäniel. damit einen freien Fig. 1 bis4 dargestellt. Der Aufbau der Vorrichtung Kingraum zwischen diesen lassend, di beiden War- wird am Beispiel ihrer verfahrenstechnischen Wirmetauscher mantelseitig durch ein zwischen ihnen kungsweise beschrieben.

und zentral angeordnetes Verbindungsruhr «ekoppelt 25 Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Hochdruckreaktor sind die radiale Verlängerung der oberen Rohrbo- rr»t endständigen Wärmetauschern und zwei Zwidenpiatte des oberen Wärmetauschers und die radiale schenwärmetauschern; in

\erkingerung der unteren Rohrbodenplatte des unte- Fig. 2 ist der endständige Wärmetauscher außer-

ren Wärmetauschers die Wärmetauscher gegenüber halb des Hochdruckreaktors angeordnet;
dem hinsatzmantel abdichten, und einem Trennblech 30 Fig. 3 zeigt einen flaschenformigcn Hochdruckrezwischen dem Verbindungsrohr und dem zylin- aktor mit eingezogenem Verschluß mit ebenfalls drischen Leitrohr, wodurch eine freie Verbindung einem endständigen Wärmetauscher und zwei Zwizwiscnen Rohraustrittsseite des ersten Wärmetau- schenwärmetauschern: in

schers und Eintnttsscite der mittleren Katalysator- Fig. 4 ist der endständige Wärmetauscher außcr-

scnicnt und zwischen Austrittsseite der mittleren Ka- 35 halb des Hochdruckreaktors angeordnet,
talysatorschicht und Rohreintrittsseite des zweiten Die genannten Vorteile werden in den Hochdruck-

VN armetauschers geschaffen wird. reaktoren dadurch erreicht, daß entweder an einem

r h ^nacnfol8^{end an Hand de}r Abbildung ausführ- Ende des Ofens bei 4 aufgegebenes Frischgas noch lieh beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung kalt ist (Fig. 1) und einen durch den Druckmaiitel 1. fuhrt einmal zu optimalem Wärmetausch in dem 40 2, 3 und den die Katalysatorbüchse einschließenden Ammoniakkonverter, da die Wärmetauscher mit op- Einsatzmantel 6 gebildeten, an sich bekannten R.inutimalem Durchmesser Längen-Verhältnis entspre- raum5 und dann einen am entgegengesetzten Ende c lend den vorliegenden Gasmengen und erforderli- des Ofens befindlichen, ebenfalls an sich bekannten cnen Oasgeschwindigkeiten ausgelegt werden, zum Hauptwärmetauscher7 durchströmt oder (Fig. 2) anderen bringt sie cmc konstruktive Vereinfachung 45 schon im außenliegenden Hauptwärmetauschcr vorcies hinoaus von Wärmetauschern in Katalysator- geheiztes Frischgas am unteren Ende 4 zuacccben schichten und vereinfachte betriebliche Handhabe wird und das heiße Gas nach oben strömt in einem des Ofene.nsatz.es bzw. der Wärmetauscher. ZcntrnlmhrS in der untersten Katalysatorschicht,

vor allem wird durch die crfindungsgcmüßc Rcdu- wonach es den Wärmetauscher 9 passiert, der obcrzicrung der Außendurchmesser der Zwischenwarme- 50 halb tier letzten Katalysatorschicht 21 und zentral in idustncr erreicht, da« die Zwischenwärmctauschcr der mittleren Katalysatorschicht 18 angeordnet ist. und die katalysatorschichtcn nicht mehr unbedingt wobei es in Wärmetausch tritt mit dem Rcaktionscas cmc tinncit sind, sondern separat in den Konverter aus der mutieren Katalysatorschicht. Auf kürzestem ein- und ausgebaut werden können. Bei einem Scha- We<-e durch das Verbindungsrohr 10 passiert das den an den Zw.schcnwärmctau.schcrn oder am Kata- 55 aufgeheizte Gas den Wärmetauscher 11. der ebenfalls l\sa or kann jeder fur sich aus dem Konverter ent- zentral in der mittleren Katalysatorschicht 18 an-U "IΓ"· ' ^a,^ußcL^dcr ,^{erstcn Scliicl}". die bei einer geordnet is: In dem Wärmetauscher 11 wird das auf Herausnahme des Zwisclicnwärmclauschcrs auch zu die Ainnringtemperatur der erstcn Katalysator enm^Cl\ ^IS' Γ * i^{Cme Ufflsländlichcn} Katalysa- schichi aufzuheizende Gas im Wärmdausch mit dem «rhP, 1 ■ T ,'^Le _f ^ere'^nb ₁ ^au'^{cn dlIrch} die Wärmetau- 6° Reaktionsgas aus der erstcn Katalysatorschicht 14 scher hindurch erforderlich. aufgeheizt. Das aufgeheizte Frischgas ström! dann

-"i ^erfind""pgemäßen Einbau der War- durch das Zcntralrohr 12 in der ernten Katalysator-S,r ·ι,μ?ι!^Π »!^{C mitIlcrC KatnI}ysatorschicht schicht nach oben und gelangt nach Umkehrung der Zim.i? λκ ^mC^^{USchcrmitcIcnjcsvciIs} Strömungsrichtung auf die erste Katalysatorschicht

Tnnl f ^AbmeSjUngen, d. h. besten Wärmeübcr- 6₅ 14. Es durchströmt nun zuerst diese Schicht, wird zu Pen ™ T\^Und"ⁱⁿ*^c.örtlichsten Rohrabmessun- Reaktionsgas und gelangt dann weiter durch den Kf^{cg WCrden k}""ncn^ Der Durchmesser des Wärmetauscher 11 und in neuerlicher Umkehr in der rs ist weht mehr zwangläufig an den Kammer 15 durch den durch da, I citmhr 17 m-bil-

clctcn Ringraum 16 auf die mittlere Katalysalorschicht 18. Das hier durch die weitere exotherme Reaktion aufgeheizte Reaktionsgas verlaßt die Katalysatorschicht unten, durchströmt nach oben den Ringraum 19 und wird durch die Umlcnkkammcr 20 durch die Rohre des Wärmetauschers 9 geleitet. Die radiale Verlängerung der oberen Rohrbodcnplattc 26 des oberen Wärmetauschers 11 und die radiale Verlängerung der unteren Rohrbodenplattc 26 des unteren Wärmetauschers 9 dichten die Wärmelauscher gegenüber dem Einsatzmantcl 6 ab. Das Trennblech 27 dichtet das Verbindungsrohr 10 gegenüber dem Leilrohr 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 Kalalysatorschicht 21 und dann den endständigen

Hauptwärmctauschcr 7, um dann den Synlhcsekonvcrtcr bei 22 zu verlassen.

Jm Fall Fig. 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 Fig. I bis 4 ist unter 13 eine elektrische Hcizeinrichtung in bekannter Weise angeordnet.

Die Aufhcizung des Konverters, d. h. wenn noch keine Reaktionswärme vorhanden ist, kann aucli außerhalb des Konverters erfolgen, und das Gas kanr durch die Bohrung4 (F i g. 2) zugeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es vom Konvcrtcrdcckcl oder -boden her durch zusätzliche Rohre 23, 24, 25 kaltes Frischgas zum Abbai von Temperaturspitzen zuzugeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

':> Frischgas gekühlt wird, kann einmal das Frischgas

. ,iirefct ytiBeseben werden, oder in Wärmetauschern

. Patentanspruch: Sk?« werden Bei artfremdem Kühlmittel wird

> Vorrichtung zur Durchführung exothermer. Immer direkter Wgrmeaustausch in eingebauten

katalytischer Gasreaktionen für die Ammoniak- 5 Wämemuschem angewenUeL _

und Methanol-Synthese, im wesentlichen beste- Es sind zahlre ehe Oiemypro bekanη

hend aus einem Hochdruckmantel (2) und einem der obengenannten Forderungen, bs .st

Einsatemantel (6), der mindestens drei übereinan- weise bekannt, die κ.

der angeordnete Katalysatorlagen und zwei Gas gen untereinander

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lyatorlagn und z