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Katalytische Hochdruck-Syntheseeinrichtung, insbesondere für die .Ammoniaksynthese
Man ist seit langem bestrebt, mit den verschiedensten Mitteln die thermischen Verhältnisse
in der Katalysatormasse von Hochdrucksyntheseöfen, beispielsweise für die Ammoniaksynthese,
so zu regeln, daß sich die Reaktion aus Stickstoff und Wasserstoff in allen Teilen
des Katalysators bei möglichster Schonung aller Ofen- und Ofeneinsatzteile bei optimalem
Umsatz vollzieht. Sowohl bei Vollraumöfen als auch bei Katalysatorröhrenöfen geschieht
dies durch Kühlung der bei der stark exothermen Reaktion der N H3 Bildung sich erwärmenden
Reaktionsgase. Die Kühlung erfolgt direkt, also durch Zufuhr von kaltem Frischgas
in Zwischenräume zwischen den einzelnen Katalysatorschüssen oder indirekt durch
Kühlschlangen od. dgl. mittels Gase oder verdampfbarer Flüssigkeiten, vorzugsweise
Wasser, aber auch durch indirekte Gegenstromführung von kaltem Frischgas. Zahlreich
sind die bisherigen Vorschläge bei den verschiedensten Ofentypen. Alle diese Vorschläge
haben aber miteinander gemeinsam, daß sie komplizierte und schwierig auszuwechselnde
Einrichtungen benötigen oder den Gaswiderstand im Ofeneinsatz erhöhen. So ist beispielsweise
bekannt, die Katalysatormasse in einer Anzahl von Lagen übereinander anzuordnen
und in die Zwischenräume kaltes Frischgas einzublasen oder dort Wasserschlangen
hindurchzuführen, um die Reaktionstemperaturen abzusenken, oder die Kontaktmasse
in Rohren anzuordnen und diese mit aufzuwärmendem Reaktionsgas zu kühlen oder in
die Katalysatorschichten selbst Kühlrohre einzulegen, die wieder von aufzuwärmendem
Frischgas erfüllt sind. Es ist aber auch schon bei Kontakteinrichtungen zur Herstellung
von SO, aus SO., vorgeschlagen worden, Kontaktlagen mit Wärmetauschern
abwechselnd übereinander anzuordnen und einen regelbaren Anteil des frischen S 02-Gases
vor Eintritt in die Kontaktlagen von außen durch die einzelnen Röhrenwärmetauscher
zu schicken.
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Die nachfolgend beschriebene Apparatur führt zu einem optimalen Wärmetausch
in einer solchen Syntheseeinrichtung, vorzugsweise für die so weitgehend temperaturabhängige
Ammoniaksynthese aus dessen Elementen. Die Vorrichtung stellt einen in zwei oder
mehrere Lagen unterteilten Vollraumofen, gegebenenfalls auch eine Kombination aus
einem solchen mit Kontaktrohrschüssen dar, in welchem die erwähnten Nachteile vermieden
werden und darüber hinaus eine hervorragend regelbare Kühlung und hierdurch ein
optimaler Umsatz ohne fühlbare Widerstandserhöhung, ohne Verdünnung bereits ausreagierten
Gases durch Frischgasbeimischung und mit Hilfe einfachster konstruktiver Mittel
erzielt wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Teil des kalten
Frischgasstromes auf dem üblichen Wege außerhalb des Ofeneinsatzmantels über den
üblichen Wärmeaustauscher 'und durch ein Zentralrohr von oben, auf den Katalysator
der ersten Lage geschickt wird, während ein anderer Anteil des Frischgases durch
eine gesonderte Bohrung des Druckkörperdeckels in einen vczm Katalysator selbst
und vom Druckkörper getrennten Ringraum zwischen Katalysatorbehälter und dem erwähnten
Ofeneinsatzmantel geleitet wird, wobei dieser Teilstrom einen oder nacheinander
mehrere jeweils zwischen zwei Kontaktschüssen angeordnete und als kurze Wärmeaustauscher
ausgebildete Zwischenböden passieren muß, bevor er endlich in dem allen Kontaktschüssen
gemeinsam zugeordneten : Hauptwärmetauscher mit dem übrigen Teil des Frischgases
vereinigt und nach dem gemeinsamen Passieren des Hauptwärmetauschers über das Zentral-
oder Brennerrohr auf die oberste Kontaktschicht geleitet wird.
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Durch das aus dem ersten Kontaktschuß über einen z. B. als Röhrenwärmetauscher
ausgebildeten Zwischenboden in den nächstfolgenden Kontaktschuß strömende, durch
die exotherme Reaktion erhitzte Gas wird der zu Kühlzwecken herangezogene Teilstrom
des Eingangsgases vorgewärmt, wodurch gleichzeitig die Temperatur des Synthesegases
vor dessen Eintritt
in die nächstfolgende Kontaktlage so weit abgesenkt
wird, wie es zu einer optimalen Ammoniakbildung in der zweiten Kontaktlage erforderlich
ist.
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Die Reaktionswärme des ausreagierten Synthesegasgemisches aus dem
zweiten oder dem letzten Kontaktschuß wird sodann in üblicher Weise in dem bereits
erwähnten gemeinsamen Hauptwärmetauscher an das in das Zentral- oder Brennerrohr
eintretende Gas abgegeben.
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Je nach den Erfordernissen der jeweiligen Anlage, die an Hand von
an sich bekannten wärmetechnischen Überlegungen unschwer berechnet werden können,
werden zwei oder mehrere Kontaktschüsse mit dazwischenliegenden, als Wärmetauscher
ausgebildeten Böden vorgesehen. Sind mehrere solcher wärmetauschender Zwischenböden
vorhanden, so kann der zur Kühlung vorgesehene Anteil des Eingangsgases diese Zwischenböden
nacheinander passieren, wobei sich der jeweils kleiner werdende Wärmetauscheffekt
der sich ebenfalls in den einzelnen Kontaktstufen verringernden Wärmetönung der
Endreaktion anpaßt.
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Es ist aber auch möglich, einen dritten Anteil vom Eingangsgas abzuzweigen
und diesen in einen weiteren, sowohl vom Druckkörper als auch vom Katalysatorbehälter
selbst als auch vom ersten Ringraum für den ersten Kühlgasanteil getrennten Ringraum
zu führen und diesen dritten Kühlgasanteil durch den. oder die letzten. Zwischenböden
unter getrennter und wirkungsvoller Kühlung derselben zu leiten. Im allgemeinen
aber wird der oben dargestellte einfachere Fall zur Kühlung ausreichen.
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Zur Regelung der Eingangstemperatur des ersten Kontaktschusses kann
außerdem eine ans. sich bekannte Kühlgaszuführung für kaltes Synthesegasgemisch,
etwa in Form eines sogenannten Kühlgasbrenners oder von einem Kaltgasrohr, vorgesehen
sein.
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In der Zeichnung ist die einfachste Ausführungsform eines solchen
Hochdruckofens für die Ammoniaksynthese beispielsweise und schematisch dargestellt.
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Der Deckel 1 des Druckkörpers 3, im einfachsten Fall eines Syntheseofens
mit nur zwei Kontaktschüssen, weist zwei Bohrungen I und II auf, von denen I die
Hälfte oder, regelbar, einen größeren oder kleineren Anteil des gesamten Synthesegasgemisches
und II den Rest dem Ofeninneren zuführt. Der weitere Weg dieser beiden Gasteilströme
wird nun durch ein Leitrohr (Ofeneinsatzmantel) 2 bestimmt, indem dieses den aus
der Gaszuführung I kommenden Gasteilstrom zum Durchströmen des Zwischenraumes 4
zwischen diesem Leitrohr 2 und dem Druckkörper 3 zwingt, während der aus der Gaszuführung
II kommende Gasteilstrom den ebenfalls zylindrischen Zwischenraum 5 zwischen dem
erwähnten Leitrohr 2 und dem ersten Katalysatorbehälter oder Kontaktschuß 6, sodann
den als kurzen Wärmetauscher ausgebildeten Zwischenboden 7 durchfließt und in weiterer
Folge wieder die Außenwand des nächstfolgenden Kontaktschusses 8
umspült bzw.
die gegebenenfalls weiteren gleichartigen Einrichtungsteile des Ofeneinsatzes. Am
unteren. Ende des Druckkörper-Innenraumes vereinigen sich diese beiden Teilströme
kälteren bzw. höher vorgewärmten Frischgases bei 9 und gehen endlich als Gemisch
durch den an sich bekannten Röhrenwärmetauscher 10 und durch das Zentral- oder Brennerrohr
11 am Brenner. 12 vorbei in den durch die Gassammlerhaube 13 gebildeten Gassammlerraum
und in die Katadysatorschüttung des ersten Kontaktschusses 6.
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Um mit Rücksicht auf die verschiedenen Temperaturen der aus I und
II ankommenden Frischgas-Teilströme einen annähernd optimalen Wärmetausch im Hauptwärmetauscher
10 zu erzielen, kann der Gasdurchlaß bei 9 in den Wärmetauscher 10 so unterteilt
sein, daß der Gasstrom aus I nur mit einem Teil des bereits aufgewärmten Gasstromes
aus II zusammen in der Höhe der Öffnung 9 in den Hauptwärmetauscher 10 eintritt,
während der Rest des Gasstromes aus II in diesen durch weiter oben vorgesehene Öffnungen
9 a eintritt. Auf diese Weise werden für beide Teile des Frischgasstromes
bessere Wärmetauschverhältnisse geschaffen.
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Das Leitrohr 2 trennt mittels einer leichten Stopfbüchse 14 am Ofendeckel
1 die beiden Kaltgasströme aus I und II, während eine ebensolche leichte Stopfbüchse
15 am Brennerrohr 12 den Kaltgasteilstrom aus II von dem im Wärmetauscher 10 erhitzten
Frischgasgemisch im Gassammlerraum unter der Haube 13 trennt.
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Das ausreagierte Gasgemisch verläßt den zweiten oder den letzten Kontaktschuß
durch die Röhren 16
des gemeinsamen Wärmetauschers 10 und den gesamten Kontaktofen
durch den Gasauslaß 17.
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Das Leitrohr 2 und auch die von diesem umschlossenen, den Kontakt
tragenden Einbauten können mit ihrem unteren Rande je nach Zweckmäßigkeit in an
sich bekannter Weise entweder am unteren Ofendeckel 18 oder auf einem vorkragenden
Teil des unteren Wärmetauscherbodens 19 aufruhen oder auch mit Hilfe von Konsolen
oder Klauen in entsprechenden Ausnehmungen im Druckkörpermantel3 aufgehängt sein.
Ebenso kann man, wie bereits vorgeschlagen worden war, die einzelnen funktionellen
Einrichtungsteile 6, 7, 8, 10 usw. zwecks leichteren Ein- oder Ausbaues zusammen
mit den entsprechenden Teilen des Leitrohres 2 unschwer voneinander trennbar ausgestalten.
Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird jeweils ein Kontaktschuß mit dem zugehörigen Wärmetauscherzwischenboden
zu einer apparativen Einheit verbunden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung bei
der Ammoniaksynthese beschränkt, sondern kann beispielsweise bei der Methanolsynthese
oder ähnlichen Verfahren Anwendung finden.
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Ebenso können, ohne das Prinzip des Erfindungsgegenstandes zu verlassen,
an Stelle der beschriebenen und dargestellten Vollraumschüttungen des Katalysators
Katalysatoranordnungen in Röhren oder deren Kombinatiönen mit Vollraumschüttungen
treten.