DD262420A1 - Reaktor fuer die ammoniaksynthese - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen horizontalen Kaltwand-Ammoniakreaktor fuer die exotherme katalytische Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff. Der erfindungsgemaesse Ammoniakreaktor weist eine Vielzahl von Querfluss-Katalysatorbetten auf, wobei ein erster vertikaler Waermeaustauscher zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett angeordnet ist. Ein zweiter vertikaler Waermeaustauscher ist zwischen dem zweiten und dem dritten Katalysatorbett angeordnet. Fig. 1

Description

Praxis geworden, den Katalysator in mehreren Betten anzuordnen mit der Möglichkeit zur Kühlung zwischen den Betten oder im
In herkömmlicher Weise wird diese Kühlung durch Einführung von kaltem Synthesegas zwischen die Betten für einen direkten Wärmeaustausch mit dem teilweise umgesetzten Gas durchgeführt (das heißt, ein direkter Kühlreaktor oder eine Kombination von direkter Gaskühlung mit Zwischenbettwärmeaustauschern vom Mantel- oder Röhrentyp). Reaktorkonstruktionen, welche die direkte Kühlung bevorzugen, sind kostengünstiger als Kombinationskonstruktionen, da sie weniger kleinere Röhrenaustauscher mit Mantel einsetzen, entsprechend dem Volumen des eingeleiteten Kühlgases. Anlagen, die diese Konstruktionen einsetzen, müssen jedoch den Nachteil der höheren Kosten für die Kompression des Synthesegases tragen, da die Gesamtmenge des Synthesegases im Reaktor nicht mit der Gesamtmenge des im Reaktor enthaltenen Katalysators in Kontakt kommt. Daher muß mehr Gas in den Kreislauf gebracht werden, um die vorgesehene Ausbeute an Ammoniak zu erreichen.
Aus dem bisher Gesagten kann eingeschätzt werden, daß Ammoniakreaktoren große und komplexe Ausrüstungsteile sind.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, einen Reaktor mit einer kostengünstigen Konstruktion für die Ammoniaksynthese zu schaffen. Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reaktor für die Ammoniaksynthese zur Verfügung zu stellen. Nach der Erfindung ist ein horizontaler Kaltwandreaktor mit mehreren Betten vorgesehen, der zwei Wärmeaustauscher hat. Die Querflußkatalysatorbetten sind in Längsrichtung im zylindrischen inneren Mantel des Reaktors angeordnet, wobei sich der erste Wärmeaustauscher vertikal zwischen dem ersten und zweiten Katalysatorbett und der zweite Wärmeaustauscher vertikal zwischen dem zweiten und dritten Katalysatorbett befindet. Das Gas fließt in der Reihenfolge durch einen Gaseinlaß an dem einen Ende des Reaktors durch den Mantelring, durch die kalten Röhrenseiten des zweiten und dann des ersten Wärmeaustauschers, durch das erste Katalysatorbett, das sich am entgegengesetzten Ende des Reaktors befindet, durch die heiße Seite des ersten Wärmeaustauschers, durch das zweite Katalysatorbett, das zwischen den zwei Austauschern angeordnet ist, des weiteren durch die heiße Seite des zweiten Wärmeaustauschers, durch das dritte und in der Regel vierte Katalysatorbett und erreicht schließlich einen Gasaustritt, der sich in unmittelbarer Nähe des letzten Katalysatorbettes und am gleichen Ende des Reaktors befindet, wo auch der Gaseintritt liegt
Der erfindungsgemäße Reaktor ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß er aus folgenden Teilen besteht:
a) einem zylindrischen Druckmantel, der äußere Köpfe aufweist, die mit dem ersten und dem zweiten Ende aneinandergrenzen;
b) einem zylindrischen inneren Mantel, der im wesentlichen über die gesamte Länge des Druckmantels angeordnet ist und mit diesem einen Mantelring bildet, wobei der innere Mantel einen ersten und zweiten Endabschluß hat, der an dem zylindrischen inneren Mantel.angrenzt. Dabei bildet der zweite äußere Kopf eine erste Gaskammer mit dem ersten Endabschluß, und der zweite äußere Kopf bildet eine zweite Gaskammer mit dem zweiten Endabschluß;
c) Gaseinlaßmittel, angeordnet im zweiten äußeren Endkopf in der Reihe der Flüssigkeitsverbindung mit der zweiten Gaskammer, dem Mantelring und der ersten Gaskammer;
d) Gasausiaßmittel;
e) ersten, zweiten und dritten slab-flow-Katalysatorbetten, definiert durch querverlaufende Zwischenwände im inneren Mantel und die gegenüberliegenden Seitenteile des inneren Mantels. Das erste Katalysatorbett befindet sich unmittelbar am ersten Ende des Reaktors, und das zweite Katalysatorbett liegt räumlich getrennt zwischen dem ersten und dritten Katalysatorbett. Jedes der Katalysatorbetten weist einen oberen Einlaßteil und einen unteren Auslaßteil auf;
f) einem ersten Wärmeaustauscher, der vertikale U-Rohre mit Einlaß- und Auslaßteilen am oberen Ende des Austauschers aufweist; der erste Wärmeaustauscher ist zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett angeordnet;
g) einem zweiten Wärmeaustauscher, der vertikale Rohre mit Einlaß- und Auslaßteilen aufweist und zwischen dem zweiten und dritten Katalysatorbett angeordnet ist;
h) einer ersten Rohrleitung in Längsrichtung, angeordnet im zylindrischen inneren Mantel unter und außerhalb unmittelbar am ersten und zweiten Katalysatorbett, die der Gaskommunikation zwischen der ersten Gaskammer und dem Einlaßteil des zweiten Wärmeaustauschers dient;
i) einer zweiten Rohrleitung in Längsrichtung, angeordnet im zylindrischen inneren Mantel über und außerhalb unmittelbar nur dem zweiten Katalysatorbett,'die der Gaskommunikation zwischen dem Auslaßteil des zweiten Wärmeaustauschers und dem Einlaßteil des ersten Wärmeaustauschers dient;
j) Trenn- oder Prallwandmitteln zur schrittweisen Weiterleitung des Gases vom Auslaßteil des ersten Wärmeaustauschers abwärts durch das erste Katalysatorbett über die Rohraußenseiten des ersten Wärmeaustauschers, abwärts durch das zweite Katalysatorbett über die Rohraußenseiten des zweiten Wärmeaustauschers und abwärts durch das dritte Katalysatorbett und
k) Mitteln zur Weiterleitung des Gases vom unteren Auslaßteil des dritten Katalysatorbettes zu einem Gasauslaßmittel.
Der Reaktor nach der vorliegenden Erfindung verwendet kein äußeres Kühlgas zwischen oder in den Katalysatorbetten. Es kann festgestellt werden, daß sich die heißen Mantelseiten der Wärmeaustauscher in ausschließlicher Flußkommunikation mit ihren benachbarten auf- und abwärtigen Katalysatorbetten befinden. Dementsprechend durchströmt das den Reaktor verlassende Gas zu Beginn das erste Katalysatorbett.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1: eine umfassende Darstellung der Erfindung, in welcher der horizontale Reaktor einen Durchlaufwärmeaustauscher
zwischen dem zweiten und dritten Katalysatorbett aufweist; Fig. 2: eine andere Darstellung der Erfindung, worin ein U-Rohraustauscher zwischen dem zweiten und dritten Katalysatorbett
eingesetzt wird; Fig.3: Querschnitte des Reaktors, die in der Fig. 1 mit A-A und B-B gekennzeichnet sind.
Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, ist der horizontale Reaktor im zylindrischen Druckmantel 1 enthalten und am einen Ende am äußeren Kopf 2 befestigt, der auf der rechten Seite der Zeichnung zu ersehen ist, und am anderen Ende am äußeren Kopf 3, der auf der linken Seite der Zeichnung gezeigt ist. Ein zylindrischer innerer Mantel 4 ist im und parallel zum Druckmantel angeordnet und erstreckt sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge, um den Mantelring 5 zu bilden. Der erste Endverschluß 6 und der zweite Endverschluß 7 sind an den Enden des inneren Mantels befestigt und bilden die erste Gaskammer8 und die zweite Gaskammer 9. Der Gaseinlaß 10 ist am zweiten äußere Kopf 3 montiert, so daß relativ kaltes Ammoniaksynthesegas, das in den Einlaß eintritt, frei in die zweite Gaskammer 8, den Mantelring 5 und dann zur ersten Gaskammer 9 fließt.
Das erste, zweite, dritte und vierte adiabatische Katalysatorbett 11; 12; 13 und 14 befindet sich in einer solchen Weise im inneren Mantel, daß die gegenüberliegenden Seitenteile des inneren Mantels die seitlichen äußeren Grenzen der Betten definieren. In Längsrichtung werden die Betten durch die Querwände 15 begrenzt, die Öffnungen für den Durchgang des Gases haben, wie diesindenZeichnungenangegebenist.DieEndverschlüsse6und7werdenkonventionellalsEinwändefürdieKatalysatorbetten11 und 14 verwendet. Jedes der Katalysatorbetten hat einen oberen Einlaßteil 16 und einen unteren Auslaßteil 17. Die Katalysatorteilchen liegen auf Rosten 18 und Sieben, die nicht gezeigt sind. Die Katalysatorbetten sind daher für einen abwärtigen Fluß des Gases auf einem Weg angeordnet, der im wesentlichen senkrecht zur Achse des Reaktors verläuft und der häufig als „slab-flow" bezeichnet wird.
Ein erster Röhrenwärmeaustauscher 19, der einen Röhreneinlaßteil 20 und einen Röhrenauslaßteil 21 aufweist, ist zwischen dem ersten Katalysatorbett 11 und dem zweiten Katalysatorbett 12 angeordnet. Da das Synthesegas, das in das erste Katalysatorbett eintritt, nur wenig Ammoniak enthält, ist die Umwandlung zu Ammoniak, die von einem Temperaturanstieg des Gases begleitet wird, hier größer als in den folgenden Katalysatorbetten. Um die große Wärmeaustauschforderung zu gewährleisten, die für die Kühlung des Gases, welches das erste Bett verläßt, erforderlich ist, bevor es in das zweite Bett eintritt, verwendet der erste Austauscher 19 vertikale U-Rohre, die eine hohe Gasgeschwindigkeit im Inneren des Rohres liefern und dadurch hohe Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten liefern, wodurch die Größe dieses Austauschers minimiert wird. Ein zweiter Röhrenwärmeaustauscher 22, der einen Rohreinlaßteil 23 und einen Rohrauslaßteil 24 hat, ist zwischen dem zweiten Katalysatorbett 12 unddem dritten Katalysatorbett 13angeordnet. Dieser Austauscherkann auch ein vertikaler U-Rohraustauscher sein, wie er in der Fig. 2 gezeigt ist. Da aber die Wärmeübergangsforderung geringer ist, wird vorzugsweise ein vertikaler Durchlaufröhrenaustauscher verwendet, wie in der Fig. 1 gezeigt ist. Die Verwendung eines Durchlaufaustauschers minimiert den Druckabfall.
Der Fließweg durch das erste und zweite Katalysatorbett und den ersten und zweiten Austauscher ist vorgegeben durch die in Längsrichtung verlaufenden Rohrleitungen im zylindrischen inneren Mantel 4oberhalb und unterhalb der Katalysatorbetten. Die erste Rohrleitung in Längsrichtung 25 ist unter den beiden Betten 11 und 12 angeordnet und verbindet die erste Gaskammer 8 mit dem Rohreinlaßteil 23 des zweiten Wärmeaustauschers 22, wo die anfängliche Vorwärmung des Synthesegases in der Rohrseite des Austauschers stattfindet. Das zuerst vorgewärmte Gas fließt dann durch die zweite, in Längsrichtung verlaufende Rohrleitung 26, die über dem Bett 12 angeordnet ist, zum Rohreinlaßteil 20 des ersten Wärmeaustauschers 19 zur abschließenden Vorwärmung. Das vollständig vorgewärmte Gas fließt dann aus dem Rohrauslaßteil 21 des ersten Wärmeaustauschers zum oberen Einlaßteil des ersten Katalysatorbettes 11.
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, ist die alternierende Anordnung der Katalysatorbetten und der Austauscher ziemlich leicht an den Gasfluß angepaßt, charakterisiert durch geringen Druckabfall durch geeignete Unterteilung durch Trenn- oder Prallwände, wie dies allgemein durch 27 angegeben ist.
Die Trennwände, ebenso wie die Wände der Katalysatorbetten, sind Hilfsmittel, um das Gas schrittweise vom Rohrauslaßteil 21 des ersten Wärmeaustauschers abwärts durch das erste Katalysatorbett 11 über die Rohraußenseiten des ersten Wärmeaustauschers abwärts durch das zweite Katalysatorbett 12 und dann über die Rohraußenseiten des zweiten Wärmeaustauschers 22 zu leiten. In der Fig. 1 passiert das Gas, das über die Außenseiten des Wärmeaustauscherrohres 22 fließt, eine Öffnung in der zentralen Wand 28 und fließt dann nach oben durch den Kanal, der durch die angrenzende Querwand 15 gebildet wird, in den oberen Einlaßteil 16 des Katalysatorbettes 13. Da der Reaktor in der Fig. 2 vertikale U-Rohraustauscher verwendet, wird die erste Rohrleitung in Längsrichtung 25 dann durch die vertikale Leitung 29 weitergeführt, um das Gas zu dem Rohreinlaßteil 23 des zweiten Wärmeaustauschers zu liefern, der in diesem Beispiel eine Gaskammer ist, die durch die Trennwand 30 und angrenzende Trennwand 27 gebildet wird. In der Fig. 2 sind alle anderen Positionszahlen die gleichen wie in der Fig. 1.
Da das Gas, das zwischen den Katalysatorbetten 13 und 14fließt, nicht gekühlt ist, ist es vom Gesichtspunkt des Verfahrens aus offensichtlich, daß diese eine einzige adiabatische Umwandlungszone bilden, die physikalisch in einem, zwei oder möglicherweise drei Betten dargestellt werden kann, entsprechend der relevanten Verfahrensparameter, wie zum Beispiel Gesamtdruckabfall im Reaktor und Umwandlungsgrad. In der Darstellung der Erfindung, die in den Zeichnungen gezeigt ist, beinhalten die Mittel zur Weiterleitung des Gases vom Bodenauslaßteil des dritten Katalysatorbettes 13 zum Gasauslaß 31, der am zweiten äußeren Kopf 3 angeordnet ist, das vierte Katalysatorbett 14 am zweiten Ende des Reaktors. Das dritte und das vierte Bett sind voneinander durch den Gaskanal 32 getrennt, der durch die benachbarten Querwände 15 des dritten und vierten Bettes gebildet wird.
Wie bereits vorher gesagt, verwendet der Reaktor der Erfindung keine Zwischenbettkühlung, um das teilweise umgewandelte Gas zu kühlen. Das kalte Synthesegas wird jedoch wahlweise zu den Rohreinlaß- und Rohrauslaßteilen 20 und 21 durch die Umgehungsleitungen 33 und 34 geleitet, um eine genaue Temperaturkontrolle über das Gas zu liefern, das in das erste und zweite Katalysatorbett eintritt.

Claims (3)

1. Reaktor für die Ammoniaksynthese mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, gekennzeichnet durch
a) einen zylindrischen Druckmantel, der äußere Köpfe aufweist, die mit dem ersten und dem zweiten Ende aneinandergrenzen;
b) einen zylindrischen inneren Mantel, der im wesentlichen über die gesamte Länge des Druckmantels angeordnet ist und mit diesem einen Mantelring bildet, wobei der innere Mantel einen ersten und zweiten Endabschluß hat, der an den zylindrischen inneren Mantel angrenzt, wobei der erste äußere Kopf eine erste Gaskammer mit dem ersten Endabschluß bildet und der zweite äußere Kopf eine zweite Gaskammer mit dem zweiten Endabschluß bildet;
c) Gaseinlaßmittel, angeordnet im zweiten äußeren Endkopf in der Reiheder Flüssigkeitsverbindung mit der zweiten Gaskammer, dem Mantelring und der ersten Gaskammer;
d) Gasauslaßmittel;
e) ersten, zweiten und dritten slab-flow-Katalysatorbetten, definiert durch querverlaufende Zwischenwände im inneren Mantel und die gegenüberliegenden Seitenteile des inneren Mantels, wobei sich das erste Katalysatorbett unmittelbar am ersten Ende des Reaktors befindet und das zweite Katalysatorbett räumlich getrennt zwischen dem ersten und dritten Katalysatorbett liegt, und jedes der Katalysatorbetten einen oberen Einlaßteil und einen unteren Auslaßteil umfaßt;
f) einen ersten Wärmeaustauscher, der vertikale U-Rohre mit Einlaß- und Auslaßteilen am oberen Ende des Austauschers aufweist, wobei der erste Wärmeaustauscher zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysatorbett angeordnet ist;
g) einen zweiten Wärmeaustauscher, der vertikale Rohre mit Einlaß- und Auslaßteilen aufweist und zwischen dem zweiten und dritten Katalysatorbett angeordnet ist;
h) eine erste Rohrleitung in Längsrichtung, angeordnet im zylindrischen inneren Mantel unter und außerhalb unmittelbar am ersten und zweiten Katalysatorbett, die der Gaskomrhunikation zwischen der ersten Gaskammer und dem Einlaßteil des zweiten Wärmeaustauschers dient;
i) eine zweite Rohrleitung in Längsrichtung, angeordnet im zylindrischen inneren Mantel über und außerhalb unmittelbar nur dem zweiten Katalysatorbett, die der Gaskommunikation zwischen dem Auslaßteil des zweiten Wärmeaustauschers und dem Einlaßteil des ersten Wärmeaustauschers dient;
j) Trenn- oder Prallwandmittel zur schrittweisen Weiterleitung des Gases vom Äuslaßteil des ersten Wärmeaustauschers abwärts durch das erste Katalysatorbett über die Rohraußenseiten des ersten Wärmeaustauschers, abwärts durch das zweite Katalysatorbett über die Rohraußenseiten des zweiten Wärmeaustauschers und abwärts durch das dritte Katalysatorbett, und * '
k) Mittel zur Weiterleitung des Gases vom unteren Auslaßteil des dritten Katalysatorbettes zu einem Gasauslaßmittel.
2. Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Mittel zur Weiterleitung des Gases vom unteren Auslaßteil des dritten Katalysatorbettes, die ein viertes slab-flow-Katalysatorbett beinhalten.
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmeaustauscher Durchlaufrohre aufweist.
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf horizontale Reaktoren für die exotherme katalytische Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff. Diese Synthese ist gut bekannt, und sie wird in typischer Weise bei Drücken im Bereich von etwa 70 bis 325 bar und bei Temperaturen im Bereich von etwa 3400C bis etwa 525°C durchgeführt.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
In modernen Ammoniakanlagen mit großer Kapazität wird im allgemeinen ein einzelner Reaktor verwendet. In einer Anlage mit einer Kapazität von 1000 Tonnen pro Tag bewegt sich das Katalysatorvolumen zwischen etwa 40 bis etwa 90 m3, und der Katalysator ist in einem Reaktor enthalten, der einen Durchmesser von etwa 2 bis etwa 4m und eine Länge oder Höhe von etwa 1.0 bis etwa 35 m hat. Die Katalysatorbetten im Reaktor können für den Querfluß, den radialen Fluß oder den axialen Fluß des Gases angeordnet sein. Reaktoren mit Querfluß sind gebräuchlich, und es wird gewöhnlich eine Kaltwandkonstruktion mit doppeltem Mantel eingesetzt, bei der es einen Mantelring für den Durchfluß des Kühlgases angrenzend an den äußeren Druckmantel gibt. Der Reaktor der vorliegenden Erfindung ist ein Kaltwandreaktor für Querfluß oder „Slab"fluß. Wegen der Beachtung des Reaktionsgleichgewichtes und der Möglichkeit der Überhitzung und Schädigung des Katalysators ist es nicht möglich, das gesamte Katalysatorvolumen in einem einzigen Katalysatorbett unterzubringen. Es ist daher zur üblichen
DD87304897A 1986-07-15 1987-07-13 Reaktor fuer die ammoniaksynthese DD262420A1 (de)

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