BE1030481B1 - Ammoniakkonverter für schwankenden Teillastbetrieb - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ammoniakkonverter 10, wobei der Ammoniakkonverter 10 eine Hülle 20 aufweist, wobei der Ammoniakkonverter 10 einen Edukteinlass 30 und einen Produktauslass 40 aufweist, wobei der Ammoniakkonverter 10 wenigstens ein erstes Katalysatorbett 50 und ein zweites Katalysatorbett 60 aufweist, wobei das erste Katalysatorbett 50 und das zweite Katalysatorbett 60 von außen zur Mitte hin radial durchströmt werden, wobei der Ammoniakkonverter 10 wenigstens einen ersten Wärmetauscher aufweist, wobei der erste Wärmetauscher als erster Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist, wobei der erste Rohrbündelwärmetauscher ein zentrales Rohr 70 und eine Mehrzahl an Wärmetauschrohren 80 aufweist, wobei die Wärmetauschrohre 80 parallel zum zentralen Rohr 70 und um das zentrale Rohr 70 angeordnet sind, wobei der erste Rohrbündelwärmetauscher eine Umlenkvorrichtung 90 aufweist, wobei die Umlenkvorrichtung 90 zwischen dem zentralen Rohr 70 und den Wärmetauschrohren 80 angeordnet ist, wobei der erste Rohrbündelwärmetauscher ringförmig von dem ersten Katalysatorbett 50 umgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Edukteinlass 30 gasströmungstechnisch direkt mit den Wärmetauschrohren 80 verbunden ist, wobei das zentrale Rohr 70 gasströmungstechnisch direkt mit dem Raum zwischen der Hülle 20 und dem ersten Katalysatorbett 50 verbunden ist.
Description
1 BE2022/5308
Ammoniakkonverter für schwankenden Teillastbetrieb
Die Erfindung betrifft einen Ammoniakkonverter, der dafür ausgelegt ist, auch bei schwankender Auslastung zuverlässig zu funktionieren. Schwankende Lasten treten beispielsweise auf, wenn der Wasserstoff beispielsweise mittels regenerativ erzeugter
Energie mittels Elektrolyse erzeugt wird und somit die zur Verfügung stehenden Edukte von der Wetterlage auch großen Schwankungen unterliegt.
Aus der EP 3 497 392 B2 ist die Verwendung eines Plattenwärmetauschers und einer
Synthesevorrichtung zur Herstellung insbesondere von Ammoniak bekannt.
Aus der EP 3 497 058 B1 ist eine Synthesevorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung insbesondere von Ammoniak bekannt.
Bei der Ammoniaksynthese wird durch die Umsetzung Energie frei. Je höher die
Temperatur ist, desto weiter verschiebt sich aber das Gleichgewicht zu den Edukten. Und übersteigt die Temperatur ein gewisses Maß, können natürlich auch Schäden an der
Vorrichtung entstehen. Daher erfolgt die Umsetzung in der Regel in zwei oder mehr
Stufen. Zwischen zwei Stufen wird die überschüssige Energie auf kühleres einströmendes Edukt mittels eines Wärmetauschers übertragen.
Für eine normale Synthese ist der Wärmetauscher auf maximale Effizienz ausgelegt, da dieser dadurch besonders klein ausgelegt werden kann, was wiederum mehr Katalysator im Konverter ermöglicht, was wiederum den Umsatz erhöht.
Wird nun ein konventioneller Konverter mit einem schwankenden Eduktstrom konfrontiert, so kann es passieren, dass der Eduktstrom den Produktstrom so weit abkühlt, dass dieser an der nächsten Stufe nicht mehr warm genug ist, beispielsweise unter 370 °, um weiter umgesetzt zu werden, die Reaktion kommt zum Erliegen. Würde man den Wärmetauscher nun aber kleiner bauen, so würde entweder das kalte eintretende Gas nicht genügend erwärmt werden, sodass die Reaktion zum Erliegen kommen würde, oder der Konverter kann bei Volllast überhitzen, da das aus der vorhergehenden Stufe austretende Gas nicht ausreichend abgekühlt wird.
2 BE2022/5308
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konverter bereit zu stellen, der sowohl bei Volllast als auch bei möglichst geringen Teillasten zuverlässig funktioniert.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Ammoniakkonverter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Der erfindungsgemäße Ammoniakkonverter weist eine Hülle auf. Die Hülle ist für die für die Ammoniaksynthese üblichen hohen Drücke relevant und muss gleichzeitig für die
Wasserstoff-haltige Atmosphäre und erhöhte Temperaturen ausgelegt sein. Weiter weist der Ammoniakkonverter einen Edukteinlass und einen Produktauslass auf. Es können weitere Nebenprodukteinlässe vorgesehen sein, um beispielsweise kühles
Eduktgasgemisch beispielsweise direkt dem zweiten Katalysatorbett zuzuführen zu können, um beispielsweise die Temperatur damit regeln zu können. Durch den
Edukteinlass wird das Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff (gegebenfalls mit weiteren
Bestandteilen wie Ammoniak oder Argon) zugeführt. Über den Produktauslass wird das
Produktgasgemisch aus Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff aus dem
Ammoniakkonverter entnommen. Der Ammoniakkonverter weist wenigstens ein erstes
Katalysatorbett und ein zweites Katalysatorbett auf. Innerhalb der Katalysatorbetten erfolgt die Umsetzung von Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak an der Oberfläche des Katalysators. Das erste Katalysatorbett und das zweite Katalysatorbett werden von außen zur Mitte hin radial durchströmt. Das umzusetzende Gasgemisch wird also von der Außenseite aus einem Raum zwischen der Hülle und dem Katalysatorbett dem
Katalysatorbett zugeführt. Der Spalt zwischen Hülle und Katalysatorbett dient zur
Verteilung des Gasgemisches entlang des Katalysatorbettes. Der Ammoniakkonverter weist wenigstens einen ersten Wärmetauscher auf. Der erste Wärmetauscher ist als erster Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt. Der erste Rohrbündelwärmetauscher weist ein zentrales Rohr und eine Mehrzahl an Wärmetauschrohren auf. Die
Wärmetauschrohre werden in die entgegengesetzte Richtung durchströmt in die das zentrale Rohr durchströmt wird. Die Wärmetauschrohre sind parallel zum zentralen Rohr und um das zentrale Rohr angeordnet. Die Wärmetauschrohre umgeben somit das zentrale Rohr. Der erste Rohrbündelwärmetauscher weist eine Umlenkvorrichtung auf.
Die Umlenkvorrichtung ist strömungstechnisch zwischen dem zentralen Rohr und den
Wärmetauschrohren angeordnet und führt den Gasstrom aus dem einen in das andere.
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Der erste Rohrbündelwärmetauscher ist ringförmig von dem ersten Katalysatorbett umgegeben, ist also im inneren Kern des ersten Katalysatorbetts angeordnet. Dadurch wird das durch die Reaktion im ersten Katalysatorbett erwärmte Gasgemisch dem
Rohrbündelwärmetauscher zugeführt und erwärmt somit das Gasgemisch im Inneren der
Rohre.
Erfindungsgemäß ist der Edukteinlass gasströmungstechnisch direkt mit den
Wärmetauschrohren verbunden und das zentrale Rohr ist gasströmungstechnisch direkt mit dem Raum zwischen der Hülle und dem ersten Katalysatorbett verbunden. Dass der
Edukteinlass gasströmungstechnisch direkt mit den Wärmetauschrohren verbunden ist, bedeutet insbesondere, dass zwischen dem Edukteinlass und den Wärmetauschrohren eben nicht das zentrale erste Rohr angeordnet ist. Ebenso bedeutet, dass das zentrale
Rohr gasströmungstechnisch direkt mit dem Raum zwischen der Hülle und dem ersten
Katalysatorbett verbunden ist, das zwischen dem zentralen Rohr und dem Raum zwischen der Hülle und dem ersten Katalysatorbett eben nicht über die
Wärmetauschrohre, Dadurch ist der erste Wärmetauscher ein
Gleichstromwärmetauscher. In üblichen Konvertern wird der Wärmetauscher als
Gegenstromwärmetauscher betrieben, da hierdurch die Größe des Wärmetauschers geringer ausfällt, was wiederum die Menge an Katalysator erhöht und damit die maximale
Anlagenkapazität erhöht. Daher erscheint ein Gleichstromwärmetauscher ineffizient. Der
Gleichstromwärmetauscher hat aber einen technischen Vorteil. Durch den Gleichstrom haben bei maximalem Wärmeübergang beide Gasströme am Ausgang die gleiche
Temperatur. Dadurch kann nicht zu viel Wärme übertragen werden, beide Gasströme haben die Temperatur, die benötigt wird, um jeden der Gasströme bei der Zuführung zum nächsten Katalysatorbett weiter umzusetzen und damit die Reaktion aufrecht zu erhalten.
Damit wird auf Kosten eines gewissen Anteils der maximalen Kapazität eine maximale
Flexibilität für Teillasten erzielt und damit der Ammoniakkonverter ideal für den Einsatz zur Erzeugung von sogenanntem grünen Ammoniak mittels regenerativ erzeugter
Energie.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ammoniakkonverter ein drittes
Katalysatorbett auf. Das dritte Katalysatorbett ist zwischen dem ersten Katalysatorbett und dem zweiten Katalysatorbett angeordnet. Der erste Wärmetauscher weist einen ersten Teilwärmetauscher und einen zweiten Teilwärmetauscher auf. Der erste
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Teilwärmetauscher ist ringförmig von dem ersten Katalysatorbett umgegeben und der zweite Teilwärmetauscher ist ringförmig von dem dritten Katalysatorbett umgegeben. Der
Weg des Gasstromes ist somit vom Edukteinlass durch den ersten Wärmetauscher, genauer durch die Wärmetauschrohre des ersten Teilwärmetauschers, dann durch die
Wärmetauschrohre des zweiten Teilwärmetauschers, dann durch das zentrale Rohr. Von dort wird der Gasstrom zwischen die Hülle und das erste Katalysatorbett und dann durch das erste Katalysatorbett geführt. Von dort gelangt es über den ersten Wärmetauscher zwischen die Hülle und das dritte Katalysatorbett und wird dann durch das dritte
Katalysatorbett geführt. Von dort gelangt es über den ersten Wärmetauscher zwischen die Hülle und das zweite Katalysatorbett und wird dann durch das zweite Katalysatorbett geführt. Anschließend wird der Gasstrom dann durch den Produktauslass geführt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die gesamte Oberfläche der
Wärmetauschrohre für einen ausreichenden Wärmeübertrag für eine
Teilkreislaufgasmenge von 10% der maximalen Kreislaufgasmenge bei Volllast ausgelegt. Je geringer die mögliche Teillast ist, umso größer um zwar der
Wärmetauscher ausgeführt werden. Auf der anderen Seite kann der Ammoniakkonverter aber auch noch bei sehr geringen Mengen an zur Verfügung stehender regenerativer
Energie weiter betrieben werden, sodass Abschaltzeiten reduziert werden, was wiederum verlustreiches Anfahren vermeidet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ammoniakkonverter eine maximale Anlagenkapazität von 50 bis 700 Tagestonnen Ammoniak auf. Damit ist die
Erfindung besonders bevorzugt für vergleichsweise kleine Anlagen zur
Ammoniaksynthese. Herkömmliche Anlagen erreichen eine Kapazität von 3000
Tagestonnen und mehr. Will man jedoch auf regenerative Energien zurückgreifen, so unterliegen diese zum einem einem zeitlichen Wandel. Zum anderen ist auch die
Erzeugung regelmäßig limitiert, beispielsweise durch den zur Verfügung stehenden Platz für Solar- oder Windkraftanlagen. Daher ist davon auszugehen, dass Anlagen, die zur
Erzeugung von grünem Ammoniak geplant werden, eher vergleichsweise kleine
Konverter benötigen. Hier ergibt sich jedoch eine Synergie zur Erfindung. Da der
Konverter in einer druckstabilen Hülle gebaut wird, weisen diese üblicherweise gewissen
Größen auf. Das führt dazu, dass bei vergleichsweise kleinen Anlagen zusätzlicher Platz im Konverter vorhanden ist. Damit fällt der Nachteil des erhöhten Platzbedarfs für den erfindungsgemäßen ersten Wärmetauscher nicht nachteilig ins Gewicht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Wärmetauscher auf der 5 von dem aus dem ersten Katalysatorbett austretenden Gas umströmten Seite radial angeordnete Leitelemente zur Erzeugung einer die Wärmetauschrohre überkreuzenden
Strömung angeordnet. Durch diese Zick-Zack-Führung wird der Austausch optimiert.
Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Ammoniakkonverter anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 Ammoniakkonverter
In Fig. 1 ist ein beispielhafter Ammoniakkonverter 10 im schematischen Querschnitt gezeigt. Die Darstellung ist nicht malstabsgerecht und dient der Verdeutlichung der
Erfindung.
Über einen Edukteinlass 30 wird ein Gemisch aus Wasserstoff und Stickstoff zugeführt.
Das Gasgemisch wird in die Wärmetauschrohre 80 geleitet und strömt in diesen nach unten und wird dabei erwärmt. Aus den Wärmetauschrohren 80 wird das erwärmte
Gasgemisch mittels der Umlenkvorrichtung 90 zusammen und in das zentrale Rohr 70 geführt. Dort strömt das Gasgemisch nach oben und gelangt über den oberen Bereich dann in den Spalt zwischen Hülle 20 und erstem Katalysatorbett 50. Dort wird der
Gasstrom radial durch das erste Katalysatorbett 50 geführt, dort umgesetzt und erwärmt sich dabei. Der aus dem ersten Katalysatorbett 50 austretende Gasstrom gibt seine überschüssige Wärme an die Wärmetauschrohre 80 ab und wird in den Spalt zwischen
Hülle 20 und drittem Katalysatorbett 100 geführt. Dort wird der Gasstrom radial durch das dritte Katalysatorbett 100 geführt, dort umgesetzt und erwärmt sich dabei. Der aus dem dritten Katalysatorbett 100 austretende Gasstrom gibt seine überschüssige Wärme an die Wärmetauschrohre 80 ab und wird in den Spalt zwischen Hülle 20 und zweiten
Katalysatorbett 60 geführt. Dort wird der Gasstrom radial durch das zweite
Katalysatorbett 60 geführt, dort umgesetzt und erwärmt sich dabei. Der aus dem zweiten
Katalysatorbett 60 austretende Gasstrom wird zum Produktauslass 40 geführt.
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Bezugszeichen 10 Ammoniakkonverter 20 Hülle 30 Edukteinlass 40 Produktauslass 50 erstes Katalysatorbett 60 zweites Katalysatorbett 70 zentrales Rohr 80 Wärmetauschrohr 90 Umlenkvorrichtung 100 drittes Katalysatorbett
Claims (5)
1. Ammoniakkonverter (10), wobei der Ammoniakkonverter (10) eine Hülle (20) aufweist, wobei der Ammoniakkonverter (10) einen Edukteinlass (30) und einen Produktauslass (40) aufweist, wobei der Ammoniakkonverter (10) wenigstens ein erstes Katalysatorbett (50) und ein zweites Katalysatorbett (60) aufweist, wobei das erste Katalysatorbett (50) und das zweite Katalysatorbett (60) von außen zur Mitte hin radial durchströmt werden, wobei der Ammoniakkonverter (10) wenigstens einen ersten Wärmetauscher aufweist, wobei der erste Wärmetauscher als erster Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist, wobei der erste Rohrbündelwärmetauscher ein zentrales Rohr (70) und eine Mehrzahl an Wärmetauschrohren (80) aufweist, wobei die Wärmetauschrohre (80) parallel zum zentralen Rohr (70) und um das zentrale Rohr (70) angeordnet sind, wobei der erste Rohrbündelwärmetauscher eine Umlenkvorrichtung (90) aufweist, wobei die Umlenkvorrichtung (90) zwischen dem zentralen Rohr (70) und den Wärmetauschrohren (80) angeordnet ist, wobei der erste Rohrbündelwärmetauscher ringförmig von dem ersten Katalysatorbett (50) umgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Edukteinlass (30) gasströmungstechnisch direkt mit den Wärmetauschrohren (80) verbunden ist, wobei das zentrale Rohr (70) gasströmungstechnisch direkt mit dem Raum zwischen der Hülle (20) und dem ersten Katalysatorbett (50) verbunden ist.
2. Ammoniakkonverter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakkonverter (10) ein drittes Katalysatorbett (100) aufweist, wobei der erste Wärmetauscher einen ersten Teilwärmetauscher und einen zweiten Teilwärmetauscher aufweist, wobei der erste Teilwärmetauscher ringförmig von dem ersten Katalysatorbett (50) umgegeben ist, wobei der zweite Teilwärmetauscher ringförmig von dem dritten Katalysatorbett (100) umgegeben ist.
3. Ammoniakkonverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche der Wärmetauschrohre (80) für einen ausreichenden Wärmeübertrag für eine Teilkreislaufgasmenge von 10 % der maximalen Kreislaufgasmenge bei Volllast ausgelegt ist.
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4. Ammoniakkonverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniakkonverter (10) eine maximale Anlagenkapazität von 50 bis 700 Tagestonnen Ammoniak aufweist.
5. Ammoniakkonverter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher auf der von dem aus dem ersten Katalysatorbett (50) austretenden Gas umströmten Seite radial angeordnete Leitelemente zur Erzeugung einer die Wärmetauschrohre (80) überkreuzenden Strömung angeordnet sind.
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EP23723442.2A EP4514527A1 (de) | 2022-04-27 | 2023-04-26 | Ammoniakkonverter für schwankenden teillastbetrieb |
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DE102016114713A1 (de) | 2016-08-09 | 2018-02-15 | Thyssenkrupp Ag | Synthesevorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Produkts |
DE102016114710A1 (de) | 2016-08-09 | 2018-02-15 | Thyssenkrupp Ag | Plattenwärmetauscher, Synthesevorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Produkts |
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2022
- 2022-04-27 BE BE20225308A patent/BE1030481B1/de not_active IP Right Cessation
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BE1030481A1 (de) | 2023-11-24 |
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