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Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hochdrucksyntheseanlagen, beispielsweise für die Ammoniaksynthese
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Gasführung bei katalytischen Hochdruckreaktionen, beispielsweise bei der Ammoniaksynthese unter Druck. Bei katalytischen Hochdruckreaktionen ist es nicht nur von Bedeutung, die Temperatur in den Kontaktschichten dem jeweiligen Optimum anzupassen, sondern auch den konstruktiv teuren Innenraum des Hochdruckreaktors möglichst günstig auszunutzen und den Druckverlust im Reaktor klein zu halten.
Zur optimalen Temperaturführung sind verschiedene Einrichtungen bekanntgeworden. Sie bestehen beispielsweise aus mehreren axial durchströmten Katalysatorschichten, zwischen denen von kaltem Frischgas (österr. Patentschrift Nr. 225 722) oder andern Kühlmitteln (deutsche Patentschrift Nr. 946342) gespeiste Wärmetauscher liegen. Auch Kombinationen von axialem Gleich-und Gegenstrom der Frischgaswärmetauscher wurden beschrieben (österr. Patentschrift Nr. 247371). Axial durchströmte Katalysa- torschichten zeigen verhältnismässig hohen Druckverlust.
Weiters kann auch in bekannter Weise durch Zumischen von kaltem Frischgas zwischen die einzelnen Katalysatorlagen gekühlt werden.
Ferner gibt es auch Reaktoren mit radial durchströmten Kontaktschüttungen (Deutsche Auslegeschrift 1256205). Diese neigen zu Kurzschlüssen im Gasstrom, da sich der Kontakt im Betrieb setzt. Um diese zu vermeiden, sind wieder Einrichtungen notwendig, wie z. B. in die Kontaktschüttung eintau- chende Ringblenden ode ähn1. Konstruktionen, die entweder Teile der Kontaktschüttung stillegen oder sonstwie Raum beanspruchen. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei quer durchströmten Kontaktschich- ten.
Zweck der Erfindung ist eine Verringerung der genannten Mängel, wobei die optimale Ausnutzung des umbauten Druckraumes im Vordergrund steht ; in zweiter Linie folgt die Verminderung des Druckverlustes.
Es konnte nämlich gefunden werden, dass durch eine annähernd wendelförmige Gasführung durch den Ofen von oben nach unten eine besonders günstige Ausnutzung des Reaktionsraumes, verbunden mit geringem Druckverlust, zu erreichen ist.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein neues Verfahren zur Gasführung in katalytischen Hoch- drucksynthesereaktoren, beispielsweise für die Ammoniaksynthese, bei welchem die reaktorinterneTemperaturregelung mittels stufenweiser Kühlung des heissen Reaktionsgases jeweils unmittelbar nach dem Austritt aus den einzelnen gasdicht voneinander getrennten Katalysatorlagen entweder durch Kuhlrdh- renbündel, die in diametral angeordneten Schächten untergebracht sind und von frischem Synthesegas oder Kühlmittel durchströmt werden oder durch Kaltgaszufuhr in diese Schächte erfolgt.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das den Hauptwärmetauscher verlassende, in bekannter Weise nach oben geführte vorgewärmte Frischgas nach Richtungsumkehr unter abwechselndem Durchgang durch Katalysatorlagen und Kühl- oder Mischräume annähernd wendelformig abwärts ge -
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führt wird.
Diese wendelförmige Gasführung kann dadurch erreicht werden, dass der den Hauptwärmetauscher verlassende, durch ein Zentralrohr oder durch in zwei diametral angeordneten Kühlschächten senkrecht
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Gasstromi ten senkrecht zu ihnen liegende und sie gasdicht verbindende Zwischenwand, die den Reaktorraum in zwei symmetrische Hälften teilt, in durch schräg abwärts liegende gasundurchlässige Schikanebleche gebildete, an der Zwischenwand der beiden Innenraumhälften angrenzende Katalysatorräume, deren
Austrittsfläche mit der Eintrittsfläche der nächstfolgenden, jenseits der Trennwand in der andern Ofen- hälfte angeordneten Katalysatorlage auf gleicher Höhe ist und bei denen die untere Begrenzung der vor- ) hergehenden Katalysatorlage zur oberen Begrenzung der nächstfolgenden einen Winkel bildet, abwärts geführt wird,
wobei nach Durchgang durch eine Katalysatorlage und den anschliessenden nach oben und unten gasdichten Kühlschachtabschnitt und dortiger Kühlung eine Umlenkung in den angrenzenden Ka- talysatorraum der andern Ofenhälfte erfolgt.
Die Verbesserung lässt sich mit jeder der an sich bekannten Kühlungsarten kombinieren. Bei Kalt- ì gaszumischung in die Kühlschachtabschnitte oder Kühlung durch fremde Kühlmittel muss das vorgewärm- te Gas durch ein Zentralrohr in der Mitte des Einsatzes hochgeführt werden.
Die gasdichte Trennung der einzelnen Mischkammerabschnitte wird durch Doppelrohrböden bewirkt, so dass in jedem Abschnitt nach Bedarf eine verschiedene Anzahl von Rohren (= Wärmetauschflächen) untergebracht werden kann.
Die an sich bekannte und übliche elektrische Heizeinrichtung zum Anfahren kann im obersten Ab- schnitt der Kühlschächte in Höhe des ersten Kontaktschusses oder bei den Varianten mit Kaltgaszumi- schung oder Fremdkühlung im oberen Teil des Zentralrohres angebracht werden.
Vor dem Eintritt in die nächste Kontaktschicht ist die Homogenisierung durch eine Mischkammer sicherzustellen, da das Rohrbündel einen Kreuzstromwärmetauscher mit seinem zwangsläufig inhomo- genen Temperaturprofil im Ausgang bildet. Diese Mischkammer ist unten durch einen Schlitz mit dem
Kühlschachtabschnitt verbunden.
Die Eigenart des Verfahrens lässt es zu, dass der Reaktor in allen seinen Varianten auch in w aagrech - ter Stellung betrieben werden kann, ohne dass Störungen auftreten.
Eine möglicheAusführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfah- rens, die ebenfalls einen Gegenstand der Erfindung bildet, zeigt Fig. 1 im Längs- und Fig. 2 im Quer- schnitt.
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die gasdurchlässigen Trennwände gegen die Kühlschächte, --8-- die Umlenkbleche in den Kühlschächten und--9-- die Abdeckbleche der Mischkammer--10--. Die Kühlschachtabschnitte--3-- sind mit der Mischkammer --10-- am unteren Ende durch einen Schlitz verbunden. --11-- sind die segmentförmigen Rohrböden, die die einzelnen Kühlschachtabschnitte gasdicht voneinander trennen. Um Totwasserzonen zu vermeiden, ist die mittlere Trennwand im Bereich des obersten Kontaktraumes gasdurchlässig, z.
B. als Loch - oder Schlitzblech auszubilden oder auch ganz wegzulassen. Die Gasführung ist durch Pfeile angedeutet. Durch verschieden steile Neigung der Schikanebleche-6-kann das Volumen der einzelnen Katalysatorräume den Bedürfnissen, etwa den Ergebnissen einer Optimierungsrechnung, angepasst werden.
Die Ausführungsform mit Zentralrohr zeigt Fig. 3 im Längs- und Fig. 4 im Querschnitt.
- ist das Zentralrohr zum Hochführen des Gases ; die Rohrbündel--4--, die hier von einem fremden Kühlmittel gespeist werden, fallen bei der Kühlung durch Kaltgaszumischung weg und sind durch Einleitungsrohre für kaltes Frischgas zu ersetzen.
Beispiel : In einen Ammoniaksynthesereaktoreinsatz, wie in Fig. 1 dargestellt, mit 6 Kontaktschüssen und 700 mmDurchmesser treten 72000 Nm3/h Synthesegas stöchiometrischer Zusammensetzung
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seine Körnung 8 bis 12 mm ; der Verschmutzungsgrad der Wärmetauscher ("fouling factor") 0, 0015. Der gesamte Einsatz enthält 3,32 m3 Synthesekontakt und ohne den Hauptwärmetauscher 37, 4 m2 Wärme- tauschflächen, bestehend aus 78 Rohren von 11/7 mm Durchmesser. Der Hauptwärmetauscher hatte eine Fläche von 35, 4 m2. Nach dem Durchgang durch die oberste Kontaktschicht werden im Kühlschacht dem Gasstrom noch 5 000 Nm 3/h kaltes Synthesegas mit 240e zugemischt.
Das aus dem sechsten Kontaktschuss austretende Gasgemisch besteht aus 62000 Nm3/h Gas mit 17, 4% NH und einer Temperatur von 4640e. Der gesamte Druckabfall in den Katalysatorbetten beträgt nur 1, 6 atm. Nach dem Verlassen des Hauptwärmetauschers hat das Gas schliesslich eine Temperatur von 309 C.