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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur katalytischen Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Es gibt vielfältige Bestrebungen, die katalytische Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas zu optimieren. Dies betrifft z.B. die Herstellung und Aufreinigung von Synthesegas, enthaltend Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die Eliminierung von Kohlenmonoxid, die Effizienzsteigerung der beim Reformingprozess oder der Ammoniakherstellung eingesetzten Katalysatoren und Co-Katalysatoren und die Temperaturführung der einzelnen Reaktionsschritte. Verbesserungspotential liegt ebenfalls in der Nutzung von Abwärme und der Wiederverwendung nicht umgesetzter Reaktanden. Zur Erzielung möglichst hoher Ausbeuten wird auch versucht, mit immer größeren Reaktorkesseln zu arbeiten. In Anbetracht der hohen Drücke und Temperaturen, die bei der Ammoniakherstellung herrschen, sind dem Upscaling von Reaktorkesseln und der weiteren Anlagenkomponenten häufig konstruktions- und materialtechnisch Grenzen gesetzt.
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So wird zum Beispiel in der
DE 36 42 673 C1 ein Wärmeaustauscher zum Kühlen von Gasen aus der Ammoniaksynthese vorgeschlagen, mit dem sich der apparative Aufwand für die Abhitzeverwertung in einer mehrere Reaktoren umfassenden Anlage verringern lassen soll. Hierbei hat der Wärmetauscher einen zylindrischen Mantel aufzuweisen mit in dem Innenraum angeordneten Rohre sind. Dieser Innenraum hat an dem einen Ende des Mantels von einem Rohrboden seitlich begrenzt zu sein, an den sich eine Gasaustrittskammer anschließt, innerhalb der eine Gaseintrittskammer angebracht ist. Ferner haben die Rohre mit der Gaseintritts- und der Gasaustrittskammer verbunden zu sein. Wesentlich sei hierbei, dass auch das gegenüberliegende, andere Ende des Mantels von einem Rohrboden seitlich begrenzt ist, an den sich ebenfalls eine Gasaustrittskammer anschließt, innerhalb der ebenfalls eine Gaseintrittskammer angeordnet ist. Schließlich haben die Gaseintrittskammer und die Gasaustrittskammer mit den Rohren, die gerade und nebeneinander angeordnet sind, in Verbindung zu stehen.
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Die
DE 43 04 567 C1 befasst sich mit einem Verfahren zur Dampferzeugung bei der katalytischen heterogenen Synthese von Ammoniak, Man ist bestrebt, ohne aufwendige Regelung und ohne das Erfordernis manueller Regelungseingriffe eine einwandfreie Dampferzeugung und Abführung mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln zu ermöglichen. Bei diesem Verfahren kommt ein Zweifach-Konvertersystem mit wenigstens einem Katalysatorbett in jedem Konverter zum Einsatz. Die Katalysatorbetten sind nacheinander mit Synthesegas zu beaufschlagen. Wenigstens das aus dem letzten Katalysatorbett jedes Konverters austretende Synthesegas ist außerhalb des Konverters mit Wasser unter Dampferzeugung zu kühlen, wobei das Wasser durch indirekten Wärmeaustausch zunächst vom aus dem zweiten Konverter austretenden Synthesegas auf Siedetemperatur erhitzt und teilverdampft wird. Als Besonderheit wird herausgestellt, dass Wasser in einen einzigen Wärmeaustauscher geführt wird, in welchem das Synthesegas aus dem ersten und dem zweiten Konverter durch zwei voneinander getrennte Wärmeaustauscherelemente geleitet wird. Hierbei wird das Wasser zunächst in einer Vorkammer des Wärmeaustauschers vom Synthesegas aus dem zweiten Konverter erhitzt und anschließend in einem gemeinsamen Verdampfungsraum vom Synthesegas aus dem zweiten und dem ersten Konverter verdampft.
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Auch ist bereits bekannt, bei Anlagen auf der Basis des Zweifach-Konvertersystems jedem Konverter einen Abhitzekessel nachzuschalten, um zu einer energetisch effizienten Verfahrensführung zu gelangen.
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Aus der
DE 10057863 C2 ist ein sogenanntes Zweidruckverfahren (dual pressure) zur Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas bekannt, bei dem die Synthese von Ammoniak aus Synthesegas nacheinander in verschiedenen Synthesesystemen, enthaltend jeweils einen Reaktor und eine Einrichtung zur Abscheidung des erzeugten Ammoniaks, erfolgt, wobei in allen Synthesesystemen aus jeweils einem Teil des Synthesegases Ammoniak erzeugt und davon ein Teil ausgeschleust wird. Jedes nachfolgende Synthesesystem weist dabei einen höheren Druck als das jeweils vorangegangene Synthesesystem auf. Hierbei ist unter einem höheren Druck ein Druckunterschied zu verstehen, der die Druckverluste innerhalb des Synthesesystems übersteigt. Somit ist gemäß der
DE 10057863 C2 zur Kapazitätserhöhung eine weitere Synthese auf einem höheren Druckniveau zu implementieren. Dies ist apparativ aufwendig und demgemäß in der Anschaffung teurer als Verfahren, die nur bei einem Druckniveau arbeiten.
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Anders als beim Eindruckverfahren wird beim sogenannten Zweidruckverfahren folglich durch die Installation einer Frischgassynthese schon vor dem eigentlichen Synthesekreislauf Ammoniak erzeugt. Demgemäß wird bei dem Zweidruckverfahren eine zusätzliche sogenannte Once-through-Ammoniaksynthese mit einem sogenannten Once-through-Konverter bei mittlerem Druck mit dem herkömmlichen Hochdruck-Ammoniaksynthesekreislauf kombiniert. Mit dem zwischengekühlten Once-through-Konverter kann beispielsweise etwa ein Drittel des gesamten Ammoniakausstoßes erzeugt werden. Während sich mit dem Zweidruckverfahren regelmäßig Kapazitäten von mehr als 3.000 Tagestonnen erzielen lassen, liegt die Kapazitätsgrenze bei herkömmlichen Ein- druckverfahren bei etwa 2.200 Tagestonnen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Optimierung der Ammoniakherstellung sind gleichwohl insbesondere auch in Bezug auf die Syntheseeffizienz noch stets mit Mängeln behaftet. Es wäre daher wünschenswert, auf verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zurückgreifen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, die Kapazitäten der bei der Ammoniak-Herstellung verwendeten Anlagen bzw. Anlagenkomponenten zu vergrößern.
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Demgemäß wurde eine Vorrichtung zur katalytischen Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas, insbesondere nach dem Eindruckverfahren, gefunden, umfassend mindestens einen ersten Konverter mit mindestens einem Katalysatorbett, enthaltend eine erste Menge an Katalysator, und mindestens einen Abhitzekessel, der sich an diesen ersten Konverter anschließt und der ausgelegt und eingerichtet ist, um die diesem ersten Konverter entstammende Reaktionswärme aufzunehmen und abzuführen, und mindestens einen zweiten Konverter mit mindestens einem Katalysatorbett, enthaltend eine zweite Menge an Katalysator, und mindestens einen Abhitzekessel, der sich an diesen zweiten Konverter anschließt und der ausgelegt und eingerichtet ist, um die diesem zweiten Konverter entstammende Reaktionswärme aufzunehmen und abzuführen, wobei der Abhitzekessel des ersten Konverters und der Abhitzekessel des zweiten Konverters derart eingerichtet und ausgelegt sind, dass das Verhältnis der Menge an pro Zeiteinheit an im ersten Abhitzekessel abgeführter Reaktionsabwärme zu der Menge an pro gleicher Zeiteinheit im zweiten Abhitzekessel abgeführter Reaktionsabwärme im Bereich von 0,6 bis 1,5, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 1,3 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,85 bis 1,1, liegt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der erste Konverter und der zweite Konverter vorzugsweise derart eingerichtet und ausgelegt sind, dass sie bei im Wesentlichen dem gleichen Druckniveau einsetzbar sind. Demgemäß gelingt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne weiteres die katalytische Herstellung von Ammoniak nach dem Eindruckverfahren.
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Besonders bevorzugt sind dabei auch solche erfindungsgemäßen Vorrichtungen, bei denen der Abhitzekessel des ersten Konverters und der Abhitzekessel des zweiten Konverters eingerichtet und ausgelegt sind, im Wesentlichen die gleiche Menge an Reaktionswärme, pro Zeiteinheit, abzuführen. Der Abhitzekessel des ersten Konverters und der Abhitzekessel des zweiten Konverters verfügen dabei dann vorzugsweise über ähnliche sowie gegebenenfalls identische Apparateabmessungen, zum Beispiel jeweils betreffend Durchmesser, Höhe, Rohranzahl und/oder Rohrlänge bzw. betreffend Durchmesser, Höhe, Rohranzahl und Rohrlänge
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Sehr zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnen sich auch dadurch aus, dass der mindestens eine Abhitzekessel des ersten Konverters einen Rohrboden mit Kühlbohrungen aufweist und/oder, vorzugsweise und, dass der mindestens eine Abhitzekessel des zweiten Konverters einen Rohrboden mit Kühlbohrungen aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dabei insbesondere auch dadurch aus, dass der Rohrboden des Abhitzekessels des ersten Konverters und der Rohrboden des Abhitzekessels des zweiten Konverters über einen im Wesentlichen übereinstimmenden Durchmesser verfügen können. Demgemäß ist es möglich, den Abhitzekessel des zweiten Konverters in einer Größe auszuführen, die der Größe des Abhitzekessels des ersten Konverters entspricht. Hiermit gehen regelmäßig bei der Anlagenkonzeption ökonomische Vorteile einher.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in den Katalysatorbetten von erstem und zweitem Konverter das Volumenverhältnis von erster Menge an Katalysator, d.h. der Menge an Katalysator im ersten Konverter, zu zweiter Menge an Katalysator, d.h. der Menge an Katalysator im zweiten Konverter, bevorzugt auf Werte im Bereich von 1,2 bis 0,2, bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 0,3 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 0,4, eingestellt. In einer besonders pragmatischen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Katalysator im ersten Konverter und der Katalysator im zweiten Konverter ein Volumenverhältnis im Bereich von 0,6 bis 0,45, beispielsweise 0,54, aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung ferner ausgestattet mit mindestens einer Kesselspeisewasservorerwärmungseinheit, die mit dem Abhitzekessel des ersten Konverters in Verbindung steht. Alternativ oder vorzugsweise zusätzlich verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ferner über mindestens eine Kesselspeisewasservorerwärmungseinheit, die mit dem Abhitzekessel des zweiten Konverters in Verbindung steht. Insbesondere auch der Einsatz von Kesselspeisewasservorerwärmungseinheiten für den Abhitzekessel des ersten Konverters und den Abhitzekessel des zweiten Konverters macht es möglich, beide Abhitzekessel mit Rohrböden auszustatten, die über einen im Wesentlichen identischen Rohrbodendurchmesser verfügen. Hierdurch gelingt es regelmäßig, beide Abhitzekessel in einer maximalen Größe auszuführen, ohne fertigungstechnisch Einbußen in Kauf nehmen zu müssen oder an Grenzen zu stoßen. Auf diese Weise lässt sich die Abwärme noch effektiver abführen, womit eine nochmalige Steigerung bzw. Maximierung der Kapazität der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zur katalytischen Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas, umfassend die Zurverfügungstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Zurverfügungstellung von Synthesegas, die Zurverfügungstellung einer ersten Menge an Katalysator in dem mindestens einen Katalysatorbett des ersten Konverters und die Zurverfügungstellung einer zweiten Menge an Katalysator in dem mindestens einen Katalysatorbett des zweiten Konverters sowie ferner die Umsetzung von Synthesegas zu Ammoniak in dem ersten und dem zweiten Konverter, wobei das Verhältnis der Menge an pro Zeiteinheit im Abhitzekessel des ersten Konverters abgeführter Reaktionsabwärme zu der Menge an pro gleicher Zeiteinheit im Abhitzekessel des zweiten Konverters abgeführter Reaktionsabwärme auf Werte im Bereich von 0,6 bis 1,5, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 1,3 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,85 bis 1,1, eingestellt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einer Weise durchgeführt, dass das Druckniveau im ersten Konverter und das Druckniveau im zweiten Konverter im Wesentlichen übereinstimmen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich demgemäß in einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung um ein sogenanntes Eindruckverfahren.
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In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über den Abhitzekessel des ersten Konverters und den Abhitzekessel des zweiten Konverters im Wesentlichen die gleiche Menge an Reaktionswärme pro Zeiteinheit abgeführt.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können der Rohrboden des Abhitzekessels des ersten Konverters und der Rohrboden des Abhitzekessels des zweiten Konverters über einen im Wesentlichen übereinstimmenden Durchmesser verfügen. Hierdurch wird es ermöglicht, beide Abhitzekessel mit maximaler Größe auszuführen. Auf diese Weise kann die Kapazität der Anlage zur Herstellung von Ammoniak, mit der das erfindungsgemäße Verfahren betrieben wird, noch einmal gesteigert werden.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise ausgeführt, dass der Abhitzekessel des ersten Konverters und der Abhitzekessel des zweiten Konverters im Wesentlichen die gleiche Menge an Reaktionswärme pro Zeiteinheit aufnehmen und abführen. Auch dies trägt zu einer Steigerung der Anlagenkapazität bei.
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Besonders vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Volumenverhältnis von erster Menge an Katalysator zu zweiter Menge an Katalysator im Bereich von 1,2 bis 0,2, bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 0,3 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 0,4, eingestellt. Bei Verwendung der genannten Mengenverhältnisse an Katalysatoren gelingt es besonders zuverlässig, die abzuführende Wärme auf die beiden Abhitzekessel gleichmäßig zu verteilen. Dabei setzt man in einer besonders pragmatischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Katalysatorbett des ersten Konverters und im Katalysatorbett des zweiten Konverters im Wesentlichen übereinstimmende Katalysatoren ein.
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Anders als bei herkömmlichen Eindruckdruckverfahren stellt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren ein weiterer Abhitzekessel nicht die kapazitätslimitierende Größe dar, und das, obwohl bei einer Ammoniakanlage sich eine signifikante Kapazitätsausweitung im Allgemeinen nur durch Steigerung der Menge an Katalysator erzielen lässt. Bei herkömmlichen Eindruckverfahren lässt sich die auf die Vergrößerung der Menge an Katalysator zurückgehende gestiegene Abwärme nur durch einen entsprechend größer dimensionierten Abhitzekessel auffangen. Ein derartig dimensionierter Abhitzekessel lässt sich aber häufig nicht mehr mit der geforderten Präzision fertigen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigten Abhitzekessel bewältigen aufgrund der erfindungsgemäßen Anlagenkonzeption und Verfahrensführung trotz signifikant gesteigerter Kapazitäten die Abführung auch größerer Wärmemengen unproblematisch, ohne in Größendimensionen vorzudringen, die fertigungstechnisch kritisch sind.
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Überraschender Weise hat man mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls gefunden, dass bei den gattungsgemäßen Vorrichtungen nicht, was man eventuell hätte erwarten können, die Konverter, insbesondere bei der Verfahrensführung mit einem Druckniveau, kapazitätslimitierend sind, sondern die Abhitzekessel. Denn vor allem bei den energieeffizienteren Bauformen von Abhitzekesseln, bei denen der Rohrboden mit Kühlbohrungen versehen ist, lassen sich fertigungsbedingt nur bis zu einem gewissen Durchmesser diese Bohrungen präzise ausführen. Dies limitiert regelmäßig die maximale Baugröße eines solchen Abhitzekessels. Somit werden die technologischen Grenzen im Scale-up bei den genannten Abhitzekesseln bedingt durch deren Bauform im Allgemeinen eher erreicht als bei den Konvertern. Erfindungsgemäß wurde überraschend gefunden, dass mit einem Verfahrenskonzept, bei dem mindestens zwei Abhitzekessel, insbesondere zwei, vorzugsweise annähernd gleiche, maximal große, Abhitzekessel vorgesehen sind, eine erhebliche Kapazitätssteigerung einer Ammoniakanlage, insbesondere bei Verwendung eines im Wesentlichen einheitlichen Druckniveaus ermöglicht wird.
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Somit gestattet die vorliegende Erfindung eine gezielte Erhöhung der Kapazität bei Anlagen zur Ammoniak-Herstellung, wodurch sich regelmäßig auch die spezifischen Investitionskosten verringern lassen. Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kapazitäten von Anlagen zur Ammoniak-Herstellung stets vollumfänglich nutzen, wobei ebenfalls eine Aufskalierung von Reaktorgefäßen und/oder von einzelnen oder mehreren Anlagenkomponenten ermöglicht wird. Insbesondere gelingt mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur katalytischen Herstellung von Ammoniak aus Synthesegas sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kapazitätssteigerung, ohne dass es notwendig ist, neue, größere Apparate in das bestehende Verfahrenskonzept einzufügen. Während mit gattungsgemäßen Anlagen zur Ammoniak-Herstellung nach dem Eindruckverfahren im Allgemeinen nicht mehr 2.200,00 Tagestonnen möglich sind, liegt die Kapazität der erfindungsgemäßen Anlagen bei der Ammoniak-Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Eindruckverfahren regelmäßig bei mindestens 3.300,00 Tagestonnen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit der vorliegenden Erfindung auch der Vorteil einhergeht, dass sich stets die maximal erreichbare Kapazität einer Anlage zur Herstellung von Ammoniak nach dem Eindruckverfahren nutzen lässt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3642673 C1 [0003]
- DE 4304567 C1 [0004]
- DE 10057863 C2 [0006]