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 °C, 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 und somit beschädigt werden, da das aus der vorhergehenden Stufe austretende Gas nicht ausreichend abgekühlt wird (beispielsweise auf eine Temperatur unterhalb von etwa 525 °C). 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 Nebenedukteinlässe 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 (gegebenenfalls 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 Wärmeaustauscher (erster Wärmetauscher) auf. Der Wärmetauscher ist als Rohrbündelwärmetauscher (erster Rohrbündelwärmetauscher) ausgeführt. Der 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 Rohrbündelwärmetauscher weist eine Umlenkvorrichtung auf. Die Umlenkvorrichtung ist gasströmungstechnisch zwischen den Wärmetauschrohren und dem zentralen Rohr angeordnet und ist dazu eingerichtet, den Gasstrom aus den Wärmetauschrohren in das zentrale Rohr zu führen. Dadurch wird das zentrale Rohr in der entgegengesetzten Richtung durchströmt im Vergleich zu der Richtung, in der die Wärmetauschrohre durchströmt werden. Der Rohrbündelwärmetauscher ist ringförmig von dem ersten Katalysatorbett umgegeben, ist also im inneren Kem 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, dass zwischen dem zentralen Rohr und dem Raum zwischen der Hülle und dem ersten Katalysatorbett eben nicht die Wärmetauschrohre angeordnet sind. Dadurch ist der Wärmetauscher ein Gleichstromwärmetauscher, in dem der Gasstrom durch die Wärmetauschrohre in die gleiche Richtung geführt wird wie der Gasstrom, der die Wärmetauschrohre umströmt. In üblichen Konvertern wird der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetäuscher 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 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 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 er über den Wärmetauscher (genauer gesagt, an der Außenseite der Wärmetauschrohre des ersten Teilwärmetauschers des Wärmetauschers) zwischen die Hülle und das dritte Katalysatorbett und wird dann durch das dritte Katalysatorbett geführt. Von dort gelangt er über den Wärmetauscher (genauer gesagt, an der Außenseite der Wärmetauschrohre des zweiten Teilwärmetauschers des Wärmetauschers) 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 Teillast- Kreislaufgasmenge von 10 % der maximalen Kreislaufgasmenge bei Volllast ausgelegt. Ein Wärmeübertrag wird insbesondere dann als „ausreichend“ angesehen, wenn die erreichte Temperatur des kalten eintretenden Gases und die erreichte Temperatur des heißen austretenden Gases vor dem Eintritt in ein nachfolgendes Katalysatorbett in einem geeigneten Bereich liegen. Dies kann vor allem dann Fall sein, wenn die gesamte Oberfläche der Wärmetauschrohre bei den jeweiligen Durchflussraten hinreichend groß ist, um auch bei der im Teillastbetrieb auftretenden geringeren Menge an Kreislaufgas einen Wärmeübertrag zu ermöglichen, bei dem das kalte eintretende Gas hinreichend erwärmt wird, so dass die Temperatur des erwärmten Gases eine Reaktion im ersten Katalysatorbett aufrechterhält. Andererseits darf beispielsweise die Temperatur des heißen Gases nach dem (Teil-)Wärmetauscher einen Maximalwert nicht überschreiten, beispielsweise einen Wert von etwa 410 °C; für die jeweilige Anlagenkapazität ist dem Fachmann die Dimensionierung und Auslegung geeigneter Wärmetauschrohre hinlänglich bekannt. Dabei werden grundsätzlich verschiedene Betriebszustände der Anlage berücksichtigt, darunter auch der Betrieb unter Volllast und unter unterschiedlichen Teillasten. Zu den Teillasten gehört unter anderem auch der Grenzfall mit einer Teilkreislaufmenge von 10 % der maximalen Kreislaufgasmenge bei Volllast, wobei der Stoffmengenstrom („Molstrom“) des Kreislaufgases (also der Stoffmengenstrom am Eintritt in den Konverter) auf einen Wert von 10 % verringert wird, verglichen mit dem Normalbetrieb (100 %). Je geringer die mögliche Teillast ist, umso größer muss zwar der Wärmetauscher ausgeführt werden, um zu verhindern, dass der Konverter bei Volllast überhitzt, weil das aus der vorhergehenden Stufe austretende Gas nicht ausreichend abgekühlt wird. 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. Die maximale Anlagenkapazität ist eine Basisgröße für die Dimensionierung von Ammoniakkonvertern, weshalb diese die für die Bestellung, Planung und Konstruktion eines Ammoniakkonverters maßgebliche Größe darstellt. 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 einen 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 Wärmetauscher nicht nachteilig ins Gewicht.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der 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.

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 maßstabsgerecht 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, indem er die Wärmetauschrohre 80 in der gleichen Strömungsrichtung umströmt, in der das Eduktgasgemisch die Wärmetauschrohre 80 durchströmt, 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.

Bezugszeichen

10 Ammoniakkonverter

20 Hülle 30 Edukteinlass

40 Produktauslass

50 erstes Katalysatorbett

60 zweites Katalysatorbett 70 zentrales Rohr

80 Wärmetauschrohr

90 Umlenkvomchtung

100 drittes Katalysatorbett