DE1401358C - Einrichtung zur Erhöhung der Abhitze-Dampfausbeute bei katalytischen Hochdrucksynthesen - Google Patents

Description

Abwärme-Dampferzeuger und der Kühleinrichtung io die Reaktionsgase, welche die der Syntheseeinrichein zusätzlicher, vom gasförmigen Syntheseprodukt tung nachgeschaltete Dampferzeugungsanlage mit der und dem Frischgas durchströmter, indirekt wirkender Temperatur des erzeugten Dampfes verlassen, vor Wärmetauscher angeordnet ist. ihrem Eintritt, beispielsweise in die Kühlanlage für

Demnach liegt der Anmeldung die technische das zu verflüssigende Reaktionsprodukt, einem noch-Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der 15 maligen Wärmeaustausch mit dem, in den Synthese-Dampfausbeute in einem, einer Einrichtung fürexo- ofen eingedrückten Reaktionsgemisch unterworfen therme katalytische Gashochdrucksynthese nachge- werden. Hierbei wird durch Abgabe des restlichen schalteten Dampferzeuger zu schaffen. Wärmeinhaltes der Reaktionsgase an das kalte Syn-

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch ge- thesefrischgas die im Gaswege folgende Kühlanlage löst, daß ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ²° für das Reaktionsprodukt entlastet und weiter wird ist, in dem das aus dem Dampferzeuger austretende, hierdurch das Temperaturniveau des in den Synausreagierte Gasgemisch einen wesentlichen Teil theseofen eintretenden Gasgemisches praktisch um seiner Restwärme an das zum Hauptwärmetauscher den gleichen Betrag gehoben. Dementsprechend des Syntheseofens strömende Frischgas abgibt und wird auch das Temperaturniveau des Ofenausgangsdieses erwärmt. Da das Frischgas den Hauptwärme- 25 gases, das dieses Wärmeplus im Wärmetauscher des tauscher nunmehr mit höherer Temperatur erreicht, Reaktors übernimmt, erhöht, wodurch sich wegen somit die im Hauptwärmetauscher ausgetauschte
Wärmemenge, unter der Voraussetzung konstanter
Reaktionstemperatur, kleiner ist, als bei Anlagen
ohne zusätzlichen Wärmetauscher, tritt das abzie- 30
hende Synthesegas mit höherer Temperatur in den '
Dampferzeuger ein. Da die Gasaustrittstemperatur
. aus dem Dampferzeuger aber im wesentlichen durch
die Speisewassereintrittstemperatur bestimmt wird,
d. h. im wesentlichen konstant ist, ergibt sich bei 35 Syntheseöfen vorhandenen oder zu jedem Ofen geAnlagen mit zusätzlichem Wärmetauscher ein grö- hörigen Wärmeaustauschers geführt, von wo auch es

durch letzteren in die Katalyseeinrichtung strömt. Da sich also der Wärmeaustausch zwischen dem erfindungsgemäß wärmer zuströmenden Frischgas

einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 und dem, den Syntheseofen verlassenden ausreawird eine Verkleinerung des im Syntheseofen einge- gierten Gasstrom im untersten Teil des üblichen

Hauptwärmeaustauschers vollzieht, wird das Temperaturniveau im Inneren des Ofens bzw. der Katalysatormasse selbst praktisch nicht verändert, so daß,'

Zur Verwertung der Abhitze exothermisch ver- 45 trotz besserer Ausnutzung des Wärmegewinns der laufender chemischer Reaktionen, insbesondere von exothermen Katalyse, diese letztere selbst in keiner Gasen wie beispielsweise in der Ammoniak- oder in Weise negativ beeinflußt wird. Das Mehr an Wärme der Methanoldrucksynthese sind bereits zahlreiche wird somit nur dem abgehenden ausreagierten Syn-Vorschläge bekannt. Allgemein üblich und für die thesegas unter Umgehung des Katalysators aufge-Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ausschlaggebend 50 laden. Es ist also im vorliegenden Falle nicht nötig, ist die Dampfgewinnung durch indirekten Wärme- eine bessere Wärmeausnutzung durch Vergrößerung austausch der die Syntheseeinrichtung verlassenden, der üblichen Wärmeaustauscheinrichtung des Reakausreagierten Gase gegen Speisewasser eines Dampf- tors herbeizuführen, es können im Gegenteil die biskessels. Die diesen letzteren verlassenden Gase haben her hierzu verwendeten Vorrichtungen ohne Ändejedoch noch einen bestimmten, bei den Bedingungen 55 rung benutzt werden. Die zur Durchführung der des Wärmeaustausches im Dampfkessel nicht mehr erfindungsgemäßen Verbesserung zusätzlich nötige

Einrichtung besteht lediglich aus einem, für die hier vorkommenden Temperaturen geeigneten Wärmeaustauscher üblicher Art im Gasstrom zwischen dem Abwärme-Dampfkessel und der Kühlanlage für die Ammoniakabtrennung oder für das sonstige Endprodukt gegen ankommendes kaltes, frisches Synthesegasgemisch.

Sofern in Ausnahmefällen, bedingt durch die Dimensionierung des Hauptwärmetauschers, das Frischgas durch das ihm aufgeladene Wärmeplus in demselben zu hoch erhitzt wird, kann diese Überhöhung der Temperatur dieses Gases vor seinem Eintritt in

des höheren Temperaturunterschiedes gegenüber dem Kesselspeisewasser eine Erhöhung-der Dampfmenge bzw. des Dampfdruckes ergibt.

Bei allen heute in der Technik üblichen Hochdrucköfen der katalytischen Ammoniaksynthese wird das kalte Frischgas in einem Zwischenraum zwischen dem Hochdruckmantel und dem Einsatzmantel oder Leitrohr nach abwärts an den Fuß des in fast allen

ßeres nutzbares Temperaturgefälle der abziehenden Synthesegase im Dampferzeuger und damit eine höhere Dampferzeugung. Als zusätzlicher Vorteil

bauten Hauptwärmetauschers, bedingt durch die Verminderung der auszutauschenden Wärmemengen, genannt.

in diesem verwertbaren Wärmeinhalt, da sich die Gastemperatur bestenfalls nur bis zur Eintrittstemperatur des Speisewassers in das La-Mont-System abkühlen läßt.

Mit Hilfe vorliegender Erfindung ist es nun möglich, den Wärmeinhalt der die Syntheseeinrichtung verlassenden Reaktionsgase und damit die Menge an erzeugbarem Niederdruckdampf wesentlich zu erhöhen.

F.s wurde nämlich wie ausgeführt gefunden, daß sich die Menge an gewinnbarem Druckdampf, sowohl an Niederdruckdampf als auch an höher gc-

die Kontaktmasse durch eine Kaltgaszuführung, wie sie bei vielen Reaktortypen üblich ist, unschwer ausgeglichen werden, ohne daß der Wärmeabtausch im Hauptwärmeaustauscher dadurch beeinträchtigt wird. Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme kann dadurch noch verstärkt werden, daß das Reaktionsgefäß für die exotherme Hochdrucksynthese sorgfältig gegen Wärmeverluste isoliert wird, um jeden Wärmeverlust zum Schaden des nachfolgenden Wärmeaustauschers zu vermeiden.

In solchen Fällen, wo der Wärmeinhalt der Reaktionsgase nach dem Verlassen des sogenannten Dampfteiles nicht für den beschriebenen Zweck zur Verfügung steht, weil beispielsweise der restliche Wärmeinhalt für die Heißwasserbereitung oder für Heizungszwecke von Gebäuden od. dgl. verwendet wird, kann das Temperaturriiveau des Reaktionsgases vor dem Dampfkessel auch dadurch im notwendigen Ausmaße erhöht werden, daß andere Wärmequellen, beispielsweise Kompressorenabwärme, Abwärme von CC-Konvertierungen und andere mehr zum erfindungsgemäßen Zwecke herangezogen werden.

Auf die erfindungsgemäße Weise ist es möglich, die Ausbeute, beispielsweise an Niederdruckdampf, um 30 bis 50 °/o und mehr zu steigern.

Beim Gegenstande der oben 'beschriebenen Erfindung handelt es'sich keineswegs um die übliche Aufwärmung des Frischgases auf die Anspringtemperatur der Katalyse durch die Wärme des ausreagierten Gases schlechtweg, etwa im Hauptwärmeaustauscher des Reaktors, sondern ausschließlich um die Verwertung jener restlichen Wärmemenge, die nach optimaler Ausnutzung der Reaktionsabwärme in einem Dampferzeuger, entsprechend der Temperatur des erzeugten Dampfes noch im Abgas enthalten ist und die früher verloren gegeben werden mußte. Die Erfindungseigenschaft dieses Vorschlages ist neben der beachtlichen neuen Wirkung auch dadurch begründet, daß bisher ein starkes Vorurteil dagegen bestand, Frischgas dem Reaktor mit höherer Temperatur aufzugeben, da man dadurch eine Verschlechterung der Katalyse und eine Schädigung der Reaktoreinrichtung durch verminderte Kühlwirkung befürchtete.

Wenn es gewünscht wird, die Abwärme der exothermen Synthese in Form von höher gespanntem Dampf, etwa von 6 atü oder darüber, in dem, dem Syntheseofen nachgeschalteten üblichen Abwärmedampfkessel auszunutzen, so muß dementsprechend auch das ausreagierte Synthesegas mit höherer Temperatur in diesen Dampfkessel eintreten. Nach der bisher beschriebenen einfachen Verfahrensvariante würde das gesamte Synthesefrischgas nach dem erfindungsgemäßen Wärmeabtausch mit dem, sodann auch den Dampfkessel mit höherer Temperatur verlassenden Reaktionsgas höher aufgewärmt werden. Da in einem solchen Falle unter Umständen auch der Hochdruckmantel des Syntheseofens unzulässig hoch erhitzt werden könnte, wird für diesen Fall der Dampfgewinnung bei höheren Drücken nur ein Teil, vorzugsweise, jedoch abhängig von den apparativen Gegebenheiten, ein größerer Anteil ,des Frischgases, dem Wärmeaustausch mit dem Reaktionsgas hinter dem Dampferzeuger unterworfen. Dieser bis in die Nähe der Temperatur des erzeugten Druckdampfes erhitzte Teil des Frischgasgemisches wird dem Syntheseofen durch eine zusätzliche Bohrung am unteren Ofendeckel oder mittels eines zusätzlichen, mit dem Gasabführungsrohr koaxialen Rohres in den Ofenraum unterhalb des Hauptwärmeaustauschers eingeführt. Der andere Teil des Frischgases wird ohne den erfindungsgemäßen Wärmetausch mit dem Reaktionsgas hinter dem Dampferzeuger dem Syntheseofen in üblicher Weise direkt oben aufgegeben, so daß er annähernd seine volle Kühlwirkung auf den Druckkörper bzw. den Einsatzmantel ausüben kann.

ίο Beide Anteile des Frischgases vereinigen sich unterhalb des im Syntheseofen befindlichen Hauptwärmetauschers und treten nach indirektem Wärmetausch in diesem mit dem den Syntheseofen verlassenden, ausreagierten Gas, in die Kontaktschicht ein. Das ausreagierte Gas strömt sodann, da es weniger Wärme an das Frischgas abgeben konnte, mit höherer Temperatur in den Dampfkessel. Damit der im Hauptwärmetauscher vereinigte Frischgasstrom mit der für den Ablauf der Synthese optimalen Temperatur auf den Katalysator auf trifft, kann der Hauptwärmeaustauscher gegenüber den üblichen Typen der katalytischen Ofeneinrichtungen, bei denen keine Aufwärmung des Frischgases außerhalb des Syntheseofens erfolgt, wesentlich kürzer gehalten werden, woraus sich wieder eine Vergrößerung des Katalysatorraumes und damit der Leistung des betreffenden Ammoniakofens ergibt. Auf diese Weise gelingt es, durch Anwendung des eingangs beschriebenen Prinzips auch Dampf von Drücken über etwa 6 atü ohne wesentliche Abänderung der üblichen Einrichtungen und ohne Störung der katalytischen Reaktion aus der Abwärme der exothermen katalytischen Reaktion zu gewinnen.

Beispiel 1

50 000 Nm³/h eines N₂/H₂-Gasgemisches treten mit einer Temperatur von 20° C in einen Ammoniakofen ein. Von dieser Frischgasmenge verlassen den Ofen 45 000 Nm³/h Reaktionsgas (enthaltend 12 Volumprozent NH₃) mit 200° C, also mit einer Erhöhung um 18O⁰C. Dieses Gas betritt den Abwärmedampfkessel, dessen Speisewasser 130° C Anfangstemperatur aufweist und verläßt ihn mit der gleichen Temperatur. Die für die Dampferzeugung ausnutzbare Temperaturdifferenz des heißen Ofenausgangsgases beträgt in diesem Falle maximal 70° Ci~ Das die Dampferzeugungsanlage mit mindestens 130° C verlassende Ofena'usgangsgas wird nun mit dem Ofeneingangsgas von "bisher 20^"C in indirekten

Wärmeaustausch gebracht,Wodurch letzteres auf beispielsweise 60° C erwärmt wird. Das Mehr von 40° C addiert sich zu den 200° C der Temperaturerhöhung um 180° C durch die Katalyse, die ja praktisch unverändert bleibt, auf 240° C. Die zur Dampferzeugung verwertbare Temperaturdifferenz beträgt aber nunmehr 110° C an Stelle von 70° C wie zuvor. Die Dampfausbeute wird damit um rund 50 °/o erhöht.

Beispiel 2

6000ONnWh einesNj/H-rGasgemisches werden mit einer Temperatur von 35° C einem Ammoniakofen zugeführt. Vor Einführung in den Ammoniakofen werden zwei Drittel dieser Gasmenge (40 000 Nm³/h) in einem dem Dampferzeuger nachgeschalteten Wärmetauscher. auf 170° C aufgewärmt und durch eine am unteren Deckel des Syntheseofens angebrachte Bohrung in den Raum zwischen dem unte-

Claims (1)

1. 5 6

   rcn Ofendeckel und dem unteren Boden des Haupt- vorgewärmten Reaktionsteilnehmer abgeben und diewärmetauschers eingeführt. Ein Drittel der eingangs sen annähernd auf Reaktionstemperatur erhitzen, genannten Gasmenge, also 20 000 Nm-Vh,- die durch die Reaktionsprodukte dann in einen zweiten Wärmeden zwischen dem Druckmantel und dem Mantel des austauscher führt, wo sie einen weiteren Teil ihrer Ofeneinsatzes vorhandenen Ringspalt nach abwärts 5 Wärme zur Erzeugung von Wasserdampf abgeben, geführt werden, erfahren entlang ihres Weges eine anschließend die Reaktionsprodukte in einen dritten Aufwärmung auf 95° C. Durch Vereinigung mit dem Wärmeaustauscher leitet, wo sie mindestens einen am unteren Ofendeckel mit 170° C eintretenden der Reaktionsteilnehmer auf eine Temperatur von Gasstrom ergibt sich eine Mischtemperatur von mindestens 50° C, zweckmäßig 100 bis 200° C, vor-145° C. Das Gasgemisch (60 000 NmVh) wird nun io wärmen und mit einem Teil dieses vorgewärmten in üblicher Weise im Hauptwärmetauscher des Syn- Reaktionsgutes die Temperatur im Reaktionsgefäß theseofens weiter aufgewärmt, passiert die Kontakt- durch Einführung an einer oder an mehreren Stellen zone, um nach nochmaligem Durchgang durch den reguliert.

   Hauptwärmetauscher den Syntheseofen mit einer Aus dem Wortlaut des Anspruchs, übrigens in Temperatur von 300° C zu verlassen. In einem dem 15 Übereinstimmung mit der Beschreibung (vgl. Spalte 1, Syntheseofen nachgeschalteten Dampferzeuger wird Zeile 51 ff.), ist eindeutig zu entnehmen, daß das durch Abkühlung des mit 300° C aus dem Synthese- Verfahren gemäß dem älteren Recht des Patents ofen austretenden Gasstromes (53 700 NmVh) je 1 088 030 nur die Durchführung von exothermen Stunde eine Dampfmenge von 3,78 Tonnen (7 atü- Reaktionen in Schachtofen zum Gegenstand hat, Dampf) erzeugt. Der Gasstrom, der im Dampf- 20 d. h. also in öfen, in denen die Kühlung in der erzeuger auf eine Temperatur von 180° C abgekühlt Reaktionszone durch Einführung von kaltem Frischwurde, betritt nun den außerhalb des Syntheseqfens gas erfolgt.

   befindlichen zusätzlichen Wärmetauscher, um dort Das Verfahren nach diesem älteren Recht sieht den eingangs genannten Anteil von 40 000 NmVh zwar ebenfalls vor, die Abwärme nach dem Hauptdes Frischgases auf 170° C aufzuwärmen. Die auf 25 wärmetauscher dazu zu verwenden, Dampf zu erGrund dieses Beispieles ermöglichte spezifische zeugen, um anschließend die ausreagierten Gase in Dampferzeugung beträgt etwa 0,78 kg Dampf je einem dritten Wärmetauscher zur Vorwärmung des Kilogramm NH₃.' frischen Synthesegases vor dem Hauptwärmetauscher Zum Stand der Technik wird bemerkt, daß Ver- zu verwenden, was erst die Dampfgewinnung im fahren für eine Syntheseeinrichtung bei exothermen 30 zweiten Wärmetauscher möglich macht, dieses Prinkatalytischen Gas-Hochdrucksynthesen, bei dem eine zip wird aber nur für den Schachtofen angewendet, Erhöhung der Temperatur des den Syntheseofen wobei hier die zusätzliche Maßnahme erforderlich verlassenden ausreagierten Gasgemisches durch Er- ist, daß die zur Kühlung verwendete Menge an höhung der Temperatur des in den Syntheseofen Frischgas erheblich erhöht werden muß, um die eintretenden Frischgases mittels Wärmeaustausch 35 höhere Temperatur dieses Gases auszugleichen und desselben (im Wärmetauscher) gegen das ausreagierte den gleichen Kühleffekt zu erzielen. Synthesegasgemisch bewirkt wird, bekannt sind. Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht somit Der Stand der Technik erschöpft sich somit darin, darin, daß nach dem Dampferzeuger ein zusätzlicher daß das der Syntheseeinrichtung zusätzlich aus dem Wärmetauscher eingeschaltet ist, durch den das Tem-Dampferzeugerabgas zugeführte Wärmeplus die ther- 4° peraturniveau des Dampferzeugers angehoben wird mischen Verhältnisse im Katalysator selbst nicht und dadurch eine höhere Dampfausbeute in diesem stören darf, daß also diese Mehrwärme dem »zu dem Abwärme-Dampferzeuger ermöglicht wird. Ofen gehörigen Wärmeaustauscher« zugeführt werden muß, wo sich der Wärmeaustausch zwischen Patentanspruch: dem erfindungsgemäß wärmer zuströmenden Frisch- 45

   gas und dem den Syntheseofen verlassenden aus- Einrichtung zur Erhöhung der Dampfausbeute/ .reagierten Gasstrom im untersten Teile des Wärme- in einer Einrichtung für exotherme katalytische ' austauschers vollzieht; das Mehr an Wärme wird Gashochdrucksynthesen,* insbesondere, für Amsomit nur dem abgehenden ausreagierten Synthese- moniak oder Methanol, mit Ausnahme von Eingas unter Umgehung des Katalysators aufgeladen. 50 richtungen mit Schachtöfen, mit einem Haupt-Das ältere Recht gemäß dem deutschen Patent wärmetauscher, einem diesem nachgeschalteten 1 088 030 betrifft ein Verfahren zur Durchführung Abwärme-Dampferzeuger und einer Kühleinrichcxothermer Reaktionen zwischen Gasen und gege- tung für das kondensierbare Syntheseprodukt, benenfalls Flüssigkeiten in Schachtofen, das dadurch dadurch gekennzeichnet, daß zwischen gekennzeichnet ist, daß man die aus dem Reaktions- 55 dem Abwärme-Dampferzeuger und der Kühleingefäß austretenden heißen Reaktionsprodukte zu- richtung ein zusätzlicher, vom gasförmigen Synnächst in einen Wärmeaustauscher leitet, wo sie einen theseprodukt und dem Frischgas durchströmter, Teil ihrer Wärme an mindestens einen der bereits indirekt wirkender Wärmetauscher angeordnet ist.