DE1940478A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasfuehrung bei katalytischen Hochdrucksynthesereaktoren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gasfuehrung bei katalytischen Hochdrucksynthesereaktoren

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Gasführung bei katalytischen Hoohdruokeyntheeereaktoren Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksynthesereaktoren, beispielsweise bei der Ammoniaksynthese unter Druck.
  • Bei solohen Synthesen ist ea von Bedeutung, die Temperatur des Katalysators an Jeder Stelle dem Jeweiligen, durch die Konzentration des Endproduktes bestimmten Optimum anzupassen; selbst verständlich soll auch der Druckverlust im Reaktor magliohst gering sein.
  • Zur optimalen Temperaturführung sind viele Einrichtungen und Verfahren bekannt geworden. Sie lassen sich in drei grundsätzlich verschiedene Gruppen einteilen: Erstens können zwischen den einzelnen Katalysatorlagen vom Kühlmittel durchströmte Wärmetauscher angebracht oder solche unmittelbar in die Katalysatorschüttung eingelegt werden. Diese, in Fachkreisen nach dem Erfinder und ersten Anmelder als "FAUSER-MONTE-CATINI-Ofen" (DBPat. Nr. 946 342 - 1956) bekannte Variante ist sehr wirksam und feinftihlig regelbar. Ihr Nachteil, der auch eine weitere Verbreitung verhindert hat, ist die verwickelte Verrohrung innerhalb des Ofens und die konstruktiv schwierige und störanfällige Herausführung der Anschlüsse für die Kühlflüseigkeit aus dem Druckmantel, auch ist die Gegenwart einer Flüssigkeit im heißen unter Druck stehenden Ofen im Störungsfall nicht unbedenklich.
  • Eine zweite Möglichkeit der Kühlung besteht im Zumischen von kaltem, noch nicht reagiertem Synthesegas zum heißen Gas strom an passenden Stellen der Katalysatorschüttung ("Quench converter").
  • Hiebei wird zwangsläufig der Ammoniakgehalt des reagierten Gases wieder verringert. Das Verfahren wird kaum für sich allein, sondern als zusätzliche Feinregelung bei anderen Ausführungsformen verwendet.
  • Die dritte Möglichkeit schließlich, zu der die moderne Entwicklung hauptsächlich hinstrebt, ist der reaktorinterne Gegenstormwärmetausch, d.h. die indirekte Kühlung mit dem noch nicht reagierten frischen Synthesegas, wobei dieses seinerseits auf die Reaktionstemperatur erhitzt wird.
  • Das Syntesegas kann bei diesen Reaktoren entweder in axialer oder in radialer Richtung geführt werden.
  • In der österreichischen Patentschrift NrO 254.224 ist schließlich ein Verfahren zur Durchführung exothermer katalythischer Gasreaktionen beschrieben, das sich ebenfalls des Prinzips des reaktorinternen Gegenstromwärmetausches zwischen den einzelnen Katalysatorlagen bedient, bei dem aber das Synthesegas quer durch die im sylindrischen Ofenmantel angeordneten Katalysatorlagen, d.h. etwa senkrecht zur Mittelebenen des Ofens geführt wird. Die Kühlung erfolgt dann, nicht wie bisher, in Wärmetauschern, die jeweils unter einer Katalysatorlage angeordnet sind, sondern in einem oder zwei, dann diametral gegenüberliegenden, peripher angeordneten, sich über die ganze Ofenlänge ausdehnenden Wärmetauschern, in denen die Wärme durch senkrechte Rohrbündel abgefahrt wird, die von frischem, kaltem Synthesegas durchströmt werden, während das zu kühlende Gas um diese Bündel herumgeführt wird. Dabei wird eine Anpassung an die optimale Temperaturkurve gemäß österr.Patentschrift Nr.263.037 daduroh erreicht, da die Anzahl der Rohre und deren Durchmesser in den Kühlschächten in bestimmten Abschnitten der Katalysatorsäule verändert werden, was bei der konstruktiven Ausführung erforderlich macht, daß in den Wärmetauschern eine Anzahl von Zwischenböden eingezogen werden, um Sammelkästen fur das kühlende Frischgas zu bilden, von denen aus das Gas in die Röhren der nächsten Wärmetauscherstufe strömt. Im österr. Patent Nr. 254.224 ist ferner eine Vorrichtung beschrieben, in der exotherme katalytische Gasreaktionen nech dem oben geschilderten Prinzip der Gasführung im Querstrom durchgeführt werden können, bei der die vom vorgewärmten Frischgas durchströmten Kühlröhrenbündel zu einem Kühlröhrensystem zusammengefaßt und in die Mitte der Katalysatorsäule verlegt sind.
  • Es konnte nun gefunden werden, daß sich bei Gasführung des zu reagierenden Synthesegases im Querstrom durch mehrere übereinander angeordnete Katalysatorlagen eine besondere gute Anpassung an die optimale Reaktionstemperatur insbesondere auch innerhalb der einzelnen, den Katalysatorlagen zugeordneten Wärmetauscherabschnitte erzielen läßt, und diese Gasführung eine konstruktiv einfache Lösung erlaubt, wenn man fttr die Kühlung zwischen den Katalysatorabschnitten einen Kastenwärmetauscher mit senkrecht zur Ofenachse verlaufenden Rohren verwendet. In diesem Kastenwärmetauscher wird da in Reaktion befindende Gas durch die Rhren geführt und wird dabei durch das im Zwischenrohrraum entlang geführte frische Synthesegas gelcuhlt.
  • Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksynthesereaktoren, beispielsweise für die Ammoniaksynthese, bei welchem die reaktorinterne Temperaturregelung mittels stufenweiser indirekter Kühlung des entweder abwechselnd von links und von rechts quer durch die gesamte Kontaktschicht oder in zwei symmetrischen Teilströmen abwechselnd von der Mittelebene des Reaktors weg und zu ihr hin gefiihrten Gases erfolgt, wobei das Gas in zwei symmetrisch zur Mittelebene liegenden, segmentförmigen Verbindungsschächten mit gegen den Kontaktraum gasdurchlässigen Wänden umgelenkt und in die folgende Kontaktschicht geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem an sich bekannten Hauptwärmetauscher vorgewärmte frische Synthesegas im Zwischenrohrraum eines in der Mitte oder am Rande der Kontaktraumes s oder auch bei spiegel symmetrischer Gaeo führung in zwei Teilströmen in den Zwischenrohrräumen zweier symmetrisch am Rande des Kontaktraumes an Verbindungsschächte angrenzend liegender und in der Länge nach durohziehender kastenförmiger Röhrenwärmetauscher an das andere Ende des Reaktors strömt, sowie daß das heiße ausreagierte Gas durch die waagr@cht liegenden Rohre des oder der in die Katalysatorschüttung eingebetteten Wärmetauscher strSmt.
  • Die Regelbarkeit der Temperatur bei der erfindungsgemäßen Gasführung ist deshalb besonders fein, weil es nicht nötig ist, den Wärmetauscher in einzelne Abschnitte verschiedengroßer Wärmer tauschflächen, also in Stufen verschiedener Kühlintensität zu zerlegen, sondern die optimale Dimensionierung der Wärmetauschflächen einfach durch Änderung der Anzahl der Rohre und deren Durchmesser in jeder Ebene des Kastenwärmetauschers möglich ist.
  • Außerdem können die einzelnen Katalysatorlagen, die durch waag rechte Schikanebleche gebildet werden, naoh Bauart beliebig niedrig gestaltet werden, da das im Wärmetauscherteil keinen Konstruktiven Aufwand erforderlich macht. Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Gasführung gewährleistet, daß das gesamte Reaktions gse im längsten möglichen Weg durch den Wärmetauscher geführt wird, da durch die Führung des Gases in den waagrechten Rohren Jede Verkürzung des Gasweges im Wärmetauscher von vornherein ausgeschlossen ist.
  • Ferner eignet sich ein Reaktor mit der erfindungsgemäßen Gasführung hervorragend fUr den liegenden Betrieb mit allen seinen Vorteilen (Fundamentierung) was besonders bei größeren Einheiten (sogenannten single-train-Anlagen) ins Gewicht fällt.
  • Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Fig. 1 im Längs und Fig, 2 im Querschnitt (A-A) zeigt. In dem zylindrischen Reaktoreinsatzmantel (1) - der Hochdruckmantel ist in den Zeichnungen der Übersichtlichkeit halber fortgeo lassen ° liegt an einem Ende der bekannte Hauptwärmetauscher (2). . In die Kontaktschüttung (3) ist am Rande oder in der Mitte der kastenförmige Wärmetauscher (4) eingebettet, dessen Rohre (5) senkrecht zur Reaktorachse liegen und die in die beiden Rohrboden (6) eingewalzt und verschweißt werden.
  • Zur Führung des Gases aus einer Kontaktzone sur anderen, die untereinander durch senkrecht zur Ofenachse liegende Schikanebleohe (9) getrennt sind, dienen die beiden segmentförmigen Verbindung@schächte (7), die auf verschiedenen Seiten des Wärmetauschers (4) liegen und gen die Kontaktschüttung (3) durch gasdurchlässige Wände (8), z.B. Schlitz- oder Lochbleche abgegrenzt sind. Die Pfeile geben die Strömungerichtung des Gases an.
  • Pig. 3 zeigt die Ausführung mit außermittigem Wärmetauscher im Querschnitt; Bezeichnungen wie in den Piguren 1 und 2 Eine weitere mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 4 im Längs-und Fig. 5 im Querschnitt. Die Gasführung ist hier symmetrisch zur Mittelebene M, wozu die Kontaktschüttung dort durch einen Verbindungsschacht (10) mit gasdurchlässigen Wänden unterbrochen ist. Die sonstigen Bezeichnungen stimmen mit denen der Figuren 1 bis 3 tberein.
  • D.r Reaktor seichnet sich durch besondere einfache Verrohrung aus. Ferner ist der Wärmetauscher sehr gut, da einerseite das Gas im Zwischenrohrraum die Rohre quer anströmt, was bekanntlich zu besonders intensivem Wärmetausch führt, während andererseite die Rohre so kurz sind, daß in ihnen über die ganze Länge nooh die Einlaufetörung besteht, die auch erhöhten Wärmetausch bewirkt (Länge zu Durchmesser des Rohres # 15:1).
  • Der zum Anfahren und für Betriebsstörungen notwendige elektrische Heizkörper kann in dem rohrförmig zusammengezogenen obersten Teil des Kastenwärmetauschere untergebracht werden0 Der Hauptwärmetauscher kann auch dadurch gebildet werden. daß einfach der Kastenwärmetauscher in der letzten Kontaktschicht in Richtung Gasaustritt mit längeren Rohren versehen wird siehe Fig. 6 , 7 und Fig. 8 @ sodaß die Rohrenden bio zum Verbindungsschacht 7 reichen. Gegenstromwärmetauscher und Hauptwärmetauscher bilden dann eine bauliche Einheit. Dies ergibt eine besonders einfache Konstruktion und eine sehr raumsparende Anordnung, was bei dem teuren umbauten Druckraum von Bedeutung ist.

Claims (1)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e :
    1. Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksynthesereaktoren, beispielsweise für die Ammoniaksynthese, bei welchem die reaktorinterne Temperaturregelung mittels stufenweiser indirekter Kühlung des entweder abwechselnd von links und von rechts quer duroh die gesamte Kontaktschicht oder in zwei symmefrischen Teilströmen abwechselnd von der Mittelebene des Reaktors weg und zu ihr hin geführten Gases erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Hauptwärmetauscher vorgewärmte frische Synthesegas im Zwischenrchrraum eines in der Mitte oder am Rande des Kontaktraumes oder auch bei spiegelsymmetrischer gasführung in zwei Teil strömen in den Zwischenrohrräumen zweier symmetrisch am Rande des Kontaktraumes an die Verbindungsschächte angrenzend liegend und ihn der Länge nach durchziehender kastenförmiger Röhrenwärmetauscher an das andere Ende des Reaktors strömt, sowie daß das heiße ausreagierte Gas durch die waagrecht liegenden Rohre des oder der in die Katalysatorschüttung eingebettet en Wärmetauscher strömt, wobei das Gas in zwei symmetrisch zur Mittelebene liegenden segmentförmigen Verbindungsschächten mit gegen den Kontaktraum~gasdurohlässigen Wänden, oder die an die kastenförmigen Röhrenwärmetauscher angrenzen, umgelenkt und in die folgende Kontaktschicht geführt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Temperaturführung dadurch erreicht wird, daß in jeder Ebene des Kastenwärmetauschers eine optimale Dimensionierung der Wärmetauschfläche durch entsprechende Wahl der Rohranzahl und des Rohrdurchmessers erfolgt.
    30 Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optimale Temperaturführung durch AnD passung der Hohe der einzelnen Katalysatorlagen an die optimalen Bedingungen ersielt wirdO 40 Verfahren nach den AnsprUchen 1 biß 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorachse während des Betriebes waagrecht liegt, wobei. die Rohrachsen des oder der kastenförmigen Wärmetauscher senkrecht oder waagrecht stehen.
    5. Vorrichtung sur Durchführung des Verfahrene nach den An sprüchen 1 bis. 4. gekennzeichnet durch den zylindrischen Reaktoreinsatzmantel (1) mit dem bekannten Hauptwärmeo tauscher (2), den parallel in die Kontaktschüttung (3) eingebetteten, in ihrer Mitte (Fig. 2) oder am Rande (Fig.3) liegenden kastenförmigen Wärmetauscher (4), bestehend aus den beiden Rohrböden (6) und den in ihnen eingewalzten und verschweißten waagrecht liegenden Rohren (5), sowie die beiden außerhalb der Kontaktschüttung liegenden segmentförmigen Verbindungsschächte (7), die auf verschiedenen Seiten des Wärmetauschers (4) liegen und die gegen die Kontaktschüttung (3) durch gasdurchlässige Wände (8), z.B. Schlitz- oder Lochbleche abgegrenzt sind und die mit ihrer Ebene senkrecht zur Ofenachse liegenden gasdichten Schikanenbleche (9), die die einzelnen Katalysatorlagen(3) voneinander trennen.
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet durch den zylindrischen Reaktoreinsatzmantel (1) mit dem bekannten Hauptwärmetaue ober (2), sowie die beiden in die Kontaktschüttung ein; gebetteten, symmetrisch sur Mittelebene (M) am Rande lief genden (Figuren 4 und 5) kastenförmigen Wärmetauscher (4) bestehend aus den Rohrböden (6) und den in ihnen eingewalzten und verschweißten Rohren (5), sowie die beiden symmetrisch zur Kontaktschüttung liegenden segmentförmigen Verbindungsschächte (7) außerhalb der Kastenwärmetauscher (4), sowie durch den in der Mittelebene (M) liegenden Verbindungsschacht (10), der gegen die Kontaktschüttung (3) durch gasdurchlässige Wände (8), z.B.
    Schlitz- oder Lochbleche abgegrenzt ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kastenwärmetauscher (4), und der Hauptwärmetauscher eine bauliche Einheit bilden, indem der Kastenwärmetauscher der letzten Kontaktschicht in Richtung Gasaustritt in der Weise vergrössert wird daß dessen Rohrende bis zum Verbindungsschacht (7) reichen (Fig.8).
    L e e r s e i t e
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