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Ammoniakdrücksynthese Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Ammoniak, bei dem eine Stickstoff-Wasserstoff-Mischung unter hohem Druck und
hoher Temperatur zunächst in indirekter Wärmeaustauschberührung an dem Katalysator
entlang geführt und dann in unmittelbare Reaktionsberührung mit dem Katalysator
gebracht wird.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Ausübung des
Verfahrens. Zweck der Erfindung ist eine Temperaturregelung des Katalysators, derart,
daß die Temperatur auf ihrem Bestwert erhalten wird. Hierfür ist schon vorgeschlagen
worden, die Gasmischung durch paarweise im Katalysator angeordnete Rohre hindurchzuleiten,
wobei ein Rohr jedes Paares innerhalb des anderen Rohres angeordnet ist und das
Gas zuerst durch das innere Rohr und dann nach Richtungsumkehr durch das äußere
Rohr, darauf nach nochmaliger Richtungsumkehr in unmittelbarer Berührung mit dem
Katalysator geführt wird.
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Gemäß einem anderen Vorschlag soll die Gasmischung durch doppelt U-förmig
gebogene Rohre in mittelbarer Berührung mit dem Katalysator durch diesen geführt
und dann in unmittelbarer Berührung umgekehrt zur Richtung des durch das letzte
Rohrstück fließenden Gasstromes durch den Katalysator geleitet werden.
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Eine gleichmäßige Temperatur des Katalysators läßt sich mit keinem
dieser Verfahren erzielen, weil bei dem ersteren das in mittelbarer Berührung mit
dem Katalysator stehende Gas im Gegenstrom zu dem mit dem Katalysator in unmittelbarer
Berührung stehenden Gas geführt wird und beim zweiten Verfahren teils Gegenstrom,
teils Gleichstrom angewendet ist.
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Die schädliche Wirkung des Gegenstroms besteht im vorliegenden Falle
darin, daß der Teil des Katalysators, der der Eintrittsstelle der Gase in dem Katalysator
zunächst liegt und in Wärmeaustauschberührung mit den bereits erwärmten Gasen steht,
nicht ausreichend gekühlt und daher zu heiß wird, während der der Austrittsstelle
der Gase benachbarte Teil des Katalysators unter den Bestwert abgekühlt und somit
kein Teil des Katalysators auf dem Temperaturbestwert gehalten wird. ` Erfindungsgemäß
werden die Gase zunächst in nur mittelbarer Berührung mit dem Katalysator durch
diesen in einer Richtung hindurchgeleitet und dann in unmittelbarer Berührung mit
dem Katalysator in der gleichen Richtung weitergeführt.
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Zweckmäßig werden die einströmenden Gasmengen, die, bevor sie den
Katalysator durchströmen, in an sich bekannter Weise vollständig um den Katalysator
herumgeführt werden, ebenfalls in derselben Richtung um den Katalysator geleitet,
in der sie später durch ihn hindurchgehen.
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Um den Temperaturbestwert zu erreichen, empfiehlt es sich, das Gas
vor seinem Eintritt in den Hauptteil der katalytischen Masse
durch
einen abgetrennten kleinen, die Reaktion nur einleitenden Teil des Katalysators
zu führen. Auf diese Weise wärmen sich die Gase im wesentlichen nur vor und gehen
in einem reaktionsbereiten Zustand über, ehe sie in den Hauptteil des Katalysators
strömen.
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Bei der zur Ausübung des Verfahrens benutzten Vorrichtung wird das
Gas durch einen Wärmeaustauschapparat bekannter Art geführt. Das Merkmal der Vorrichtung
nach der Erfindung liegt in einer Umgehungsleitung im Wärmeaustauscher, die die
Temperatur des dem Katalysator zuströmenden Gases dadurch zu regeln ermöglicht,
daß die Gasmenge oder ein Teil davon ohne Wärmeaustausch durch den Wärmeaustauscher
geleitet werden kann.
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Auf der Zeichnung sind drei verschiedene Vorrichtungen zur Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung beschrieben.
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Bei der Vorrichtung gemäß Abb. i, die einen senkrechten Mittelschnitt
darstellt, strömt die Stickstoff-Wasserstoff-Mischung unter geeignetem Druck und
der erforderlichen Temperatur durch das Rohr i in einen Verteilungsraum 2, der in
dem Behälter 3 für den Katalysator angeordnet ist. Vom Raum 2 fließt das Gas durch
eine Anzahl Röhren 4 abwärts zu einem Sammelraum 5. Die Röhren 4 sind in der katalytischen
Masse angeordnet. Vom Raum 5 gelangt das Gas durch eine in der Mitte angeordnete
Rohrleitung 6 zum oberen Teil des Katalysators und strömt dann in unmittelbarer
Berührung mit dem Katalysator durch diesen abwärts. In der Nähe des oberen Teiles,
wo das in die Röhren 4 einfließende Gas am kältesten ist, wird eine große Menge
Reaktionswärme frei und weiter unten, wo das Gas wärmer ist, eine kleinere Wärmemenge,
so daß die Temperatur des Katalysators im wesentlichen auf einer gleichmäßigen Höhe
erhalten bleibt. . Von dem Katalysator gelangen die Gase durch eine gelochte oder
gitterförmig ausgebildete Wand 7 und verlassen die Vorrichtung durch das Rohr B.
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Bei der in Abb.2 gezeigten Vorrichtung, die gleichfalls in einem senkrechten
Schnitt dargestellt ist, werden die Gase durch die Leitung 9 einem Verteilungsraum
io zugeführt, der einen@Teil eines Wärmeaustauschers bildet. Vom Raum io fließen
die Gase durch eine Anzahl senkrechter Röhren i i: einem Sammelbehälter i2 zu und
strömen von hier durch eine zweite Gruppe senkrechter Röhren 13. Letztere sind jeweils
konzentrisch inner= halb einer anderen Gruppe von Röhren 14 untergebracht. Die Röhren
14 befinden sich in der katalytischen Masse 15. Das Gas strömt durch die Rohre 13
nach oben und von hier durch die Rohre 14 abwärts, wobei es nur mittelbar mit dem
Katalysator i 5 in Berührung steht, so daß ein Wärmeaustausch- stattfindet. Durch
die Röhren 14 fließt das Gas abwärts zu einem Sammelraum 16 und von hier durch eine
verhältnismäßig weite Leitung 17, die durch den Katalysator geführt ist. Eine gelochte
oder gitterförmig ausgebildete Wand 18 ist in der Nähe des unteren Anschlusses des
Rohres 17 angeordnet. Auf der Wand 18 befindet sich eine kleine Menge i9 der katalytischen
Masse, die dazu dient, durch die entwickelte Reaktionswärme die Temperatur des Gases
noch weiter auf den Bestwert zu steigern, wobei jedoch die an diesem Punkte herrschende
verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit die Bildung einer größeren Menge Ammoniak verhindert.
Vom oberen Ende der Rohrleitung 17 strömt das Gas durch den Katalysator abwärts,
gelangt durch eine gitterartige Wand 2o, die den Katalysator trägt, und fließt um
die Röhren ii des Wärmeaustauschers, wobei es einen Teil seiner Wärme an -das einströmende
Gas abgibt. Das Gas verläßt die Vorrichtung durch eine Rohrleitung 21.
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Abb: 3 zeigt im .senkrechten Mittelschnitt eine andere Ausbildung
der Vorrichtung, bei welcher der Behälter 3 für den Katalysator mit einem nach unten
anschließenden zylindrischen Gehäuse 22 verbunden ist, welches in dem zylindrischen,
druckfesten Außenbehälter 23 angeordnet ist. Der. Außenbehälter ist oben durch einen
Deckel 24 und unten durch einen Boden 25 verschlossen. Durch eine im Deckel 24 vorhandene
Einlaßöffnung 26 gelangt das Gas in die Vorrichtung, fließt um den Behälter 3 für
den Katalysator und das Gehäuse 22 abwärts zu dem Boden des Außenbehälters 23 und
durch eine Reihe senkrechter Rohre 27, die als Teil eines Wärmeaustauschers ausgebildet
sind, aufwärts in den Sammelraum 28. Von hier gelangt es durch senkrechte Röhren
29, die konzentrisch innerhalb von im Katalysator 15 eingebetteten Röhren
3ö angeordnet sind, aufwärts und dann durch die Röhren 3o abwärts, wobei es in unmittelbarem
Wärmeaustausch mit dem Katalysator 15 steht und so einen Teil der bei der Reaktion
in dem Katalysator frei werdenden Wärmemenge aufnehmen kann. Aus den Röhren
30 fließt das Gas in einen Sammelbehälter 31 und von hier durch .eine verhältnismäßig
weite, in der Mitte der Vorrichtung innerhalb des Katalysators 15 angeordnete Rohrleitung
32, um dann den Katalysator in unmittelbarer Berührung abwärts zu durchströmen.
Darauf fließt es durch die den Katalysator 15 tragende gitterförmige Wand 2o abwärts
um die Rohre 27 des Wärmeaustauschers und wird dabei durch Querwände 33 zu einer
zickzackförmigen Bewegung gezwungen.
Das Gas verläßt die Vorrichtung
durch eine im Boden 25 angeordnete Auslaßöffnung 34- Eine Umgehungsleitung 35 ist
innerhalb des Wärmeaustauschers angeordnet, so daß, wenn es erforderlich sein sollte,
das Gas auch unmittelbar durch dieses Rohr 35 ausströmen kann, ohne um die Rohre
27 zu fließen.
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Bei den beschriebenen Vorrichtungen fließt das kältere Gas, welches
einen Teil der durch den Katalysator erzeugten Reaktionswärme aufnehmen soll, in
der gleichen Richtung wie das Gas, welches in unmittelbarer Berührung mit dem Katalysator
steht, so daß es möglich ist, die gesamte katalytische Masse auf dem für das Größtausbringen
an Ammoniak erforderlichen Temperaturbestwert zu erhalten.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigten Ausführungsformen.
So wird es beispielsweise manchmal vorzuziehen sein, statt das ausströmende Gas
um die Rohre 27 des Wärrneaustauschers zu führen, es durch diese Rohre 27 abzuleiten
und das kalt einfließende Gas um diese Rohre herumzuführen. In diesem Falle kann
die Vorwärmung der kalten Gase geregelt werden, indem man sie beispielsweise durch
eine Umgehungsleitung 35 führt, ohne sie mit den heißen Gasen in Wärmeaustausch
zu bringen.