DE102022204104A1 - Ammonia converter for fluctuating partial load operation - 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.The present invention relates to an ammonia converter 10, wherein the ammonia converter 10 has a shell 20, wherein the ammonia converter 10 has a reactant inlet 30 and a product outlet 40, wherein the ammonia converter 10 has at least a first catalyst bed 50 and a second catalyst bed 60, wherein the first catalyst bed 50 and the second catalyst bed 60 are flowed through radially from the outside towards the center, the ammonia converter 10 having at least one first heat exchanger, the first heat exchanger being designed as a first tube bundle heat exchanger, the first tube bundle heat exchanger having a central tube 70 and a plurality of heat exchange tubes 80 , wherein the heat exchange tubes 80 are arranged parallel to the central tube 70 and around the central tube 70, the first tube bundle heat exchanger having a deflection device 90, the deflection device 90 being arranged between the central tube 70 and the heat exchange tubes 80, the first tube bundle heat exchanger being annular the first catalyst bed 50 is surrounded, characterized in that the educt inlet 30 is connected directly to the heat exchange tubes 80 in terms of gas flow, the central tube 70 being connected directly to the space between the shell 20 and the first catalyst bed 50 in terms of gas flow.
Description
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.The invention relates to an ammonia converter that is designed to function reliably even with fluctuating utilization. Fluctuating loads occur, for example, when the hydrogen is produced using renewable energy via electrolysis and the available educts are therefore subject to large fluctuations depending on the weather conditions.
Aus der
Aus der
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.During ammonia synthesis, energy is released through the conversion. The higher the temperature, the further the equilibrium shifts towards the reactants. And if the temperature exceeds a certain level, damage to the device can of course occur. Therefore, implementation usually takes place in two or more stages. Between two stages, the excess energy is transferred to cooler incoming educt using a heat exchanger.
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.For a normal synthesis, the heat exchanger is designed for maximum efficiency, as it can be made particularly small, which in turn allows more catalyst in the converter, which in turn increases conversion.
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.If a conventional converter is now confronted with a fluctuating educt stream, it can happen that the educt stream cools the product stream to such an extent that it is no longer warm enough at the next stage, for example below 370 °, to be further implemented, the reaction comes to a standstill. However, if the heat exchanger were to be made smaller, either the cold incoming gas would not be heated sufficiently, so that the reaction would come to a standstill, or the converter could overheat at full load because the gas emerging from the previous stage is not cooled down sufficiently.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Konverter bereit zu stellen, der sowohl bei Volllast als auch bei möglichst geringen Teillasten zuverlässig funktioniert.The object of the invention is to provide a converter that works reliably both at full load and at the lowest possible partial loads.
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.This task is solved by the ammonia converter with the features specified in claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims, the following description and the drawing.
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. The ammonia converter according to the invention has a shell. The shell is relevant for the high pressures typical for ammonia synthesis and at the same time must be designed for the hydrogen-containing atmosphere and elevated temperatures. The ammonia converter also has an educt inlet and a product outlet. Further by-product inlets can be provided in order, for example, to be able to supply cool educt gas mixture directly to the second catalyst bed, for example in order to be able to regulate the temperature with it. The mixture of hydrogen and nitrogen (possibly with other components such as ammonia or argon) is fed in through the educt inlet. The product gas mixture of ammonia, hydrogen and nitrogen is removed from the ammonia converter via the product outlet. The ammonia converter has at least a first catalyst bed and a second catalyst bed. Within the catalyst beds, the conversion of hydrogen and nitrogen to ammonia takes place on the surface of the catalyst. The first catalyst bed and the second catalyst bed are flowed through radially from the outside towards the center. The gas mixture to be converted is therefore fed to the catalyst bed from the outside from a space between the shell and the catalyst bed. The gap between the shell and the catalyst bed serves to distribute the gas mixture along the catalyst bed. The ammonia converter has at least a first heat exchanger. The first heat exchanger is designed as a first tube bundle heat exchanger. The first tube bundle heat exchanger has a central tube and a plurality of heat exchange tubes. The heat exchange tubes are flowed through in the opposite direction to the flow through the central tube. The heat exchange tubes are arranged parallel to the central tube and around the central tube. The heat exchange tubes thus surround the central tube. The first tube bundle heat exchanger has a deflection device.
Die Umlenkvorrichtung ist strömungstechnisch zwischen dem zentralen Rohr und den Wärmetauschrohren angeordnet und führt den Gasstrom aus dem einen in das andere. 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.The deflection device is fluidly arranged between the central tube and the heat exchange tubes and guides the gas flow from one to the other. The first tube bundle heat exchanger is surrounded in a ring by the first catalyst bed, and is therefore arranged in the inner core of the first catalyst bed. As a result, the gas mixture heated by the reaction in the first catalyst bed is fed to the tube bundle heat exchanger and thus heats the gas mixture inside the tubes.
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.According to the invention, the educt inlet is directly connected to the heat exchange tube in terms of gas flow ren connected and the central tube is connected directly to the space between the shell and the first catalyst bed in terms of gas flow. The fact that the educt inlet is directly connected to the heat exchange tubes in terms of gas flow means in particular that the central first tube is not arranged between the educt inlet and the heat exchange tubes. This also means that the central tube is connected directly to the space between the casing and the first catalyst bed in terms of gas flow technology, and that between the central pipe and the space between the casing and the first catalyst bed is not connected via the heat exchange tubes. This means that the first heat exchanger is a co-current heat exchanger . In conventional converters, the heat exchanger is operated as a countercurrent heat exchanger, as this reduces the size of the heat exchanger, which in turn increases the amount of catalyst and thus increases the maximum system capacity. Therefore, a direct current heat exchanger appears inefficient. However, the direct current heat exchanger has a technical advantage. Due to the direct current, both gas streams have the same temperature at the outlet with maximum heat transfer. This means that not too much heat can be transferred; both gas streams have the temperature that is required to further convert each of the gas streams when fed to the next catalyst bed and thus maintain the reaction. This achieves maximum flexibility for partial loads at the expense of a certain proportion of the maximum capacity, making the ammonia converter ideal for use in producing so-called green ammonia using renewable energy.
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 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 a further embodiment of the invention, the ammonia converter has a third catalyst bed. The third catalyst bed is arranged between the first catalyst bed and the second catalyst bed. The first heat exchanger has a first partial heat exchanger and a second partial heat exchanger. The first partial heat exchanger is surrounded in a ring shape by the first catalyst bed and the second partial heat exchanger is surrounded in a ring shape by the third catalyst bed. The path of the gas flow is therefore from the educt inlet through the first heat exchanger, more precisely through the heat exchange tubes of the first partial heat exchanger, then through the heat exchange tubes of the second partial heat exchanger, then through the central tube. From there the gas stream is passed between the shell and the first catalyst bed and then through the first catalyst bed. From there it passes through the first heat exchanger between the shell and the third catalyst bed and is then guided through the third catalyst bed. From there it passes through the first heat exchanger between the shell and the second catalyst bed and is then guided through the second catalyst bed. The gas stream is then passed through the product outlet.
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 a further embodiment of the invention, the entire surface of the heat exchange tubes is designed for sufficient heat transfer for a partial circulation gas quantity of 10% of the maximum circulation gas quantity at full load. The lower the possible partial load, the larger the heat exchanger can be. On the other hand, the ammonia converter can continue to be operated even with very small amounts of available renewable energy, so that switch-off times are reduced, which in turn avoids start-ups with high losses.
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 a further embodiment of the invention, the ammonia converter has a maximum system capacity of 50 to 700 tons of ammonia per day. The invention is therefore particularly preferred for comparatively small systems for ammonia synthesis. Conventional systems achieve a capacity of 3,000 tons per day and more. However, if you want to use renewable energies, they are subject to change over time. On the other hand, production is also regularly limited, for example due to the space available for solar or wind turbines. It can therefore be assumed that systems planned to produce green ammonia will require comparatively small converters. However, there is a synergy with the invention here. Since the converter is built in a pressure-stable shell, these are usually of certain sizes. This means that in comparatively small systems there is additional space in the converter. The disadvantage of the increased space requirement for the first heat exchanger according to the invention is therefore not a disadvantage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Wärmetauscher auf der 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.In a further embodiment of the invention, radially arranged guide elements are arranged on the side around which the gas emerging from the first catalyst bed flows around the first heat exchanger in order to generate a flow crossing the heat exchange tubes. This zigzag guidance optimizes the exchange.
Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Ammoniakkonverter anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 Ammoniakkonverter
-
1 Ammonia converter
In
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.A mixture of hydrogen and nitrogen is supplied via an
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- AmmoniakkonverterAmmonia converter
- 2020
- HülleCovering
- 3030
- EdukteinlassEduct inlet
- 4040
- ProduktauslassProduct outlet
- 5050
- erstes Katalysatorbettfirst catalyst bed
- 6060
- zweites Katalysatorbettsecond catalyst bed
- 7070
- zentrales Rohrcentral pipe
- 8080
- WärmetauschrohrHeat exchange tube
- 9090
- UmlenkvorrichtungDeflection device
- 100100
- drittes Katalysatorbettthird catalyst bed
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Citations (2)
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EP3497058B1 (en) | 2016-08-09 | 2020-09-30 | thyssenkrupp Industrial Solutions AG | Synthesis device and method for producing a product |
EP3497392B1 (en) | 2016-08-09 | 2020-11-18 | thyssenkrupp Industrial Solutions AG | Use of a plate heat exchanger and of a synthesis device, and method for producing a product |
-
2022
- 2022-04-27 DE DE102022204104.6A patent/DE102022204104A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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