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DE102019202893A1 - Process for the production of ammonia - Google Patents

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DE102019202893A1
DE102019202893A1 DE102019202893.4A DE102019202893A DE102019202893A1 DE 102019202893 A1 DE102019202893 A1 DE 102019202893A1 DE 102019202893 A DE102019202893 A DE 102019202893A DE 102019202893 A1 DE102019202893 A1 DE 102019202893A1
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Tarek El Hawary
Reinhard Heun
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ThyssenKrupp AG
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch katalytische Umsetzung eines Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Synthesegasgemisches, wobei in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion der Ammoniaksynthesekatalysator erwärmt wird, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen und wobei erfindungsgemäß für dieses Erwärmen ein heißes Prozessgas verwendet wird, welches in einem der der Ammoniaksynthesereaktion (36) vorgeschalteten Prozessschritte des Herstellungsverfahrens anfällt. Dazu kann ein in einer Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) der Anlage erzeugtes heißes Prozessgas oder alternativ auch ein in einer Methanisierungseinheit (30) der Anlage entstehendes heißes Prozessgas verwendet werden. Durch die Erfindung kann ein Anfahrofen in der Ammoniaksynthese eingespart werden, da die notwendige Aktivierungsenergie für die Ammoniakreaktion aus vorhandenen Quellen innerhalb des Ammoniakprozesses bereitgestellt wird.The present invention relates to a process for the production of ammonia by catalytic conversion of a nitrogen and hydrogen-containing synthesis gas mixture, the ammonia synthesis catalyst being heated in a start-up phase when the reaction is started in order to generate the required activation energy for the ammonia synthesis reaction and, according to the invention, a hot process gas for this heating is used, which is obtained in one of the process steps of the production process upstream of the ammonia synthesis reaction (36). For this purpose, a hot process gas generated in a carbon monoxide converter (11) of the system or, alternatively, a hot process gas generated in a methanation unit (30) of the system can be used. The invention makes it possible to save a start-up furnace in the ammonia synthesis, since the necessary activation energy for the ammonia reaction is provided from existing sources within the ammonia process.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch katalytische Umsetzung eines Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Synthesegasgemisches, wobei in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion der Ammoniaksynthesekatalysator erwärmt wird, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen, wobei für dieses Erwärmen ein heißes Prozessgas verwendet wird, welches in einem der der Ammoniaksynthesereaktion vorgeschalteten Prozessschritte des Herstellungsverfahrens anfällt.The present invention relates to a method for producing ammonia by catalytic conversion of a nitrogen and hydrogen-containing synthesis gas mixture, the ammonia synthesis catalyst being heated in a start-up phase when the reaction is started in order to generate the required activation energy for the ammonia synthesis reaction, a hot process gas being used for this heating which is obtained in one of the process steps of the manufacturing process preceding the ammonia synthesis reaction.

Ein elementarer Bestandteil im Verfahren der Ammoniakherstellung, basierend auf dem bekannten Haber-Bosch-Verfahren, ist die exotherme Reaktion von Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak in einem ungefähren Verhältnis von 3 : 1. Dabei kommt üblicherweise ein eisenhaltiger Katalysator zum Einsatz.An elementary component in the process of ammonia production, based on the well-known Haber-Bosch process, is the exothermic reaction of hydrogen and nitrogen to form ammonia in an approximate ratio of 3: 1. An iron-containing catalyst is usually used.

Um die exotherme Ammoniakreaktion zu starten und damit den fortlaufenden Betrieb zu gewährleisten zu können, ist zunächst die erforderliche Aktivierungsenergie für die Reaktion bereitzustellen. Dies geschieht üblicherweise durch einen extern beheizten Anfahrofen. Die bereitzustellende Wärme im Anfahrofen wird standardmäßig mittels Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bereitgestellt.In order to start the exothermic ammonia reaction and thus be able to guarantee continued operation, the activation energy required for the reaction must first be provided. This is usually done by an externally heated start-up furnace. The heat to be provided in the start-up furnace is usually provided by burning hydrocarbons.

Der Betrieb und insbesondere das Starten des Anfahrofens gestalten sich in der Praxis in vielen Fällen als schwierig und sind oft mit Problemen behaftet. Hinzu kommt, dass der Anfahrofen lediglich die Aufgabe des Aufwärmens des Ammoniaksynthesekatalysators erfüllt und danach wieder abgestellt wird. Der Aufwärmvorgang des Ammoniaksynthesekatalysators erstreckt sich dabei über mehrere Stunden. Einen permanenten Nutzungszweck gibt es nicht.The operation and especially the starting of the start-up furnace turn out to be difficult in practice in many cases and are often fraught with problems. In addition, the start-up furnace only fulfills the task of warming up the ammonia synthesis catalyst and is then switched off again. The warm-up process of the ammonia synthesis catalyst takes several hours. There is no permanent use.

Die US 4,171,343 A beschreibt eine Start-up-Fahrweise bei der Synthese von Ammoniak in einer Anlage, die einen Primärreformer, einen Sekundärreformer, zwei Kohlenmonoxid-Konvertierungseinheiten, eine Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid, eine Methanisierung sowie einen Ammoniaksynthesekonverter umfasst. Bei diesem bekannten Verfahren werden der Primärreformer und der Sekundärreformer mit Dampf erwärmt und die Einrichtung zur Niedertemperatur-CO-Konvertierung wird mit vorgewärmtem entschwefeltem Kohlenwasserstoffgas erwärmt. In einer sich daran anschließenden Phase wird der Prozess in den Reformern mit vorgewärmtem Kohlenwasserstoffgas und Dampf bzw. Sauerstoff angefahren und das Gas aus den Reformern wird dazu verwendet, die Hochtemperatur-CO-Konvertierung vorzuwärmen. Außerdem wird mit Abgas aus der Niedertemperatur-CO-Konvertierung und einem Anteil Gas aus der Hochtemperatur-CO-Konvertierung die Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid vorgewärmt. Im Anschluss daran wird ein Prozessgasstrom aus den beiden Reformern durch beide CO-Konvertierungseinheiten und durch die Einrichtung zur Entfernung von CO2 hindurch zur Methanisierung geleitet, um diese vorzuwärmen. Schließlich wird der Prozessgasstrom aus der Methanisierung in den vorgewärmten Ammoniaksynthesekonverter eingeleitet. Bei diesem Verfahren erfolgt die Aufwärmung der verschiedenen Anlagenteile in recht umständlicher Weise in mehreren Phasen. Bei dieser bekannten Anlage ist kein gesonderter Wärmetauscher vorgesehen, mittels dessen man die Wärme aus dem Prozessgas aus der Hochtemperatur-CO-Konvertierungseinheit dazu nutzen könnte, direkt das der Ammoniakeinheit zugeführte Synthesegas zu erwärmen, ohne dieses zuvor durch sämtliche anderen Anlagenteile zu leiten. Die Anlagenteile sind hier rein sequentiell hintereinander geschaltet und miteinander verbunden. In der Aufwärmphase wird im Prinzip in jedem Schritt jeweils der sich stromabwärts anschließende Anlagenteil mit einem zuvor in dem stromaufwärts davor liegenden Anlagenteil erzeugten Prozessgas erwärmt.The U.S. 4,171,343 A describes a start-up procedure for the synthesis of ammonia in a plant that includes a primary reformer, a secondary reformer, two carbon monoxide conversion units, a device for removing carbon dioxide, methanation and an ammonia synthesis converter. In this known method, the primary reformer and the secondary reformer are heated with steam and the device for low-temperature CO conversion is heated with preheated desulfurized hydrocarbon gas. In a subsequent phase, the process in the reformers is started up with preheated hydrocarbon gas and steam or oxygen and the gas from the reformers is used to preheat the high-temperature CO conversion. In addition, the device for removing carbon dioxide is preheated with exhaust gas from the low-temperature CO conversion and a proportion of gas from the high-temperature CO conversion. Subsequently, a process gas stream from the two reformers is passed through both CO conversion units and through the device for removing CO 2 for methanation in order to preheat them. Finally, the process gas flow from the methanation is fed into the preheated ammonia synthesis converter. In this process, the various parts of the system are heated up in a rather cumbersome manner in several phases. In this known system, no separate heat exchanger is provided by means of which the heat from the process gas from the high-temperature CO conversion unit could be used to directly heat the synthesis gas supplied to the ammonia unit without having to pass it through all the other system parts beforehand. The parts of the system are connected to one another in a purely sequential manner. In the warming-up phase, in principle in each step the downstream part of the installation is heated with a process gas previously generated in the upstream part of the installation.

In der US 2004/0219088 A1 wird eine Mini-Ammoniakanlage beschrieben, die für die in situ Produktion kleiner Mengen an Ammoniak dienen soll. Die Anlage umfasst eine Methanisierung und das aus dieser austretende Prozessgas wird dann mittels eines Kompressors auf den für die Ammoniaksynthese erforderlichen Prozessdruck gebracht. Stromabwärts des Kompressors ist ein elektrischer Gaserhitzer (trim heater) angeordnet, der auch als Vorwärmer (start-up heater) in der Anfahrphase der Anlage verwendet wird. Dieser Vorwärmer befindet sich im Strömungsweg zwischen dem Kompressor und einem ersten Ammoniakkonverter und wird immer von dem aus der Methanisierung ausströmenden Prozessgas durchströmt. Es ist bei dieser bekannten Anlage keine separat durchströmbare Leitungsschleife vorgesehen, die nur in der Anfahrphase durchströmt wird. Ein Wärmetausch mit einem heißen Prozessgas, welches in anderen Anlagenteilen stromaufwärts der Methanisierung anfällt, zum Beispiel nach der CO-Konvertierung, ist hier ebenfalls nicht vorgesehen. Neben dem „trim heater“ ist den Ammoniakkonvertern ein weiterer Wärmetauscher vorgeschaltet, der aber nur einen Wärmetausch mit den heißen Produktgasen vorsieht, die bei der Ammoniakreaktion in den Konvertern entstehen.In the US 2004/0219088 A1 a mini ammonia plant is described which is intended to be used for the in situ production of small amounts of ammonia. The system includes methanation and the process gas emerging from this is then brought to the process pressure required for ammonia synthesis by means of a compressor. Downstream of the compressor there is an electric gas heater (trim heater), which is also used as a preheater (start-up heater) in the start-up phase of the system. This preheater is located in the flow path between the compressor and a first ammonia converter and the process gas flowing out of the methanation always flows through it. In this known system, no separately flow-through line loop is provided, through which flow is only in the start-up phase. A heat exchange with a hot process gas, which occurs in other parts of the plant upstream of the methanation, for example after the CO conversion, is also not provided here. In addition to the "trim heater", the ammonia converters are preceded by a further heat exchanger, which, however, only provides for heat exchange with the hot product gases that arise during the ammonia reaction in the converters.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Synthese von Ammoniak mit Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht, den Anfahrofen in der Ammoniaksynthese einzusparen und die notwendige Aktivierungsenergie anderweitig aus vorhandenen Quellen innerhalb des Ammoniakprozesses bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved method for the synthesis of ammonia with preheating of the ammonia synthesis catalyst with the features of the type mentioned above, which makes it possible to save the start-up furnace in the ammonia synthesis and the necessary To provide activation energy elsewhere from existing sources within the ammonia process.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution to the aforementioned object is provided by a method of the type mentioned at the beginning with the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das heiße Prozessgas durch eine nach Art eines Wärmetauschers ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung geleitet wird, die in einen separaten Leitungskreislauf eingebunden ist, welcher im regulären Betrieb der Anlage nicht von dem der Ammoniaksynthesereaktion zugeführten Synthesegas durchströmt wird.According to the invention, it is provided that the hot process gas is passed through a device designed in the manner of a heat exchanger for preheating, which is integrated into a separate line circuit through which the synthesis gas supplied to the ammonia synthesis reaction does not flow during regular operation of the plant.

Der generelle Ansatz zur Lösung der vorliegenden Problemstellung ist die Verwendung von heißem Prozessgas aus einem oder mehreren der Ammoniaksynthese vorgeschalteten Prozessschritten. Da für die Bereitstellung der notwendigen Aktivierungsenergie der Ammoniaksynthese eine prozessseitige Temperatur von mindestens etwa 400 °C vorliegen sollte, eignen sich insbesondere zwei Quellen aus den vorherigen Prozessschritten besonders gut, um diese Aufgabe zu erfüllen.The general approach to solving the problem at hand is the use of hot process gas from one or more process steps preceding the ammonia synthesis. Since a process-side temperature of at least about 400 ° C. should be present to provide the necessary activation energy for ammonia synthesis, two sources from the previous process steps are particularly suitable for performing this task.

Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren wenigstens eine Dampfreformierung sowie wenigstens eine Kohlenmonoxid-Konvertierung stromabwärts der Dampfreformierung, wobei das in der Kohlenmonoxid-Konvertierung erzeugte heiße Prozessgas stromabwärts von dieser durch die als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung geleitet wird, durch welche im Gegenstrom ein kälterer Gasstrom geleitet und erwärmt wird, welcher zum Aufwärmen des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter dient.The method according to the invention preferably comprises at least one steam reforming and at least one carbon monoxide conversion downstream of the steam reforming, the hot process gas generated in the carbon monoxide conversion being passed downstream of this through the device designed as a heat exchanger for preheating, through which a colder gas flow is passed in countercurrent and is heated, which is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter.

Als erste im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte Möglichkeit (Variante 1) kommt die Verwendung des heißen Prozessgases hinter einer Kohlenmonoxid-Konvertierung, insbesondere hinter der Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konvertierung (HTS) zur Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators in Betracht. Die Kohlenmonoxid-Konvertierung ist prozesstechnisch hinter dem Dampfreformierungsschritt angeordnet.As the first option preferred within the scope of the present invention (variant 1 ) the use of the hot process gas downstream of a carbon monoxide conversion, in particular downstream of the high-temperature carbon monoxide conversion (HTS) to warm up the ammonia synthesis catalyst, is possible. In terms of process technology, the carbon monoxide conversion is arranged after the steam reforming step.

Bei der Dampfreformierung wird im Primärreformer ein Kohlenwasserstoffe enthaltender Einsatzgasstrom (üblicherweise Erdgas) mit Dampf umgesetzt gemäß der nachfolgend aufgeführten Reaktionsgleichung (1): CH4 + H2O → CO + 3 H2 (1) In steam reforming, a feed gas stream containing hydrocarbons (usually natural gas) is reacted with steam in the primary reformer according to the reaction equation listed below ( 1 ): CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 (1)

Die Aufgabe der Kohlenmonoxid-Konvertierung ist es, das im Prozessgas befindliche Kohlenmonoxid (CO) mittels katalytischer Reaktion mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umzuwandeln, gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (2): CO + H2O → CO2 + H2 (2) The task of the carbon monoxide conversion is to convert the carbon monoxide (CO) in the process gas to carbon dioxide and hydrogen by means of a catalytic reaction with water vapor, according to the following reaction equation ( 2 ): CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)

Die vorgenannte Reaktion verläuft exotherm.The aforementioned reaction is exothermic.

Eine gegebenenfalls mögliche Abwandlung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das in der Kohlenmonoxid-Konvertierung erzeugte heiße Prozessgas stromabwärts von dieser aufgeteilt wird und nur ein Teilstrom dieses heißen Prozessgases zur Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter verwendet wird.A possibly possible modification of this variant of the method according to the invention provides that the hot process gas generated in the carbon monoxide conversion is divided downstream of it and only a partial flow of this hot process gas is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter.

Das die Kohlenmonoxid-Konvertierung verlassende, für die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators verwendete, heiße Prozessgas kann insbesondere eine Temperatur von 400 °C bis 500 °C aufweisen.The hot process gas which leaves the carbon monoxide conversion and is used for heating up the ammonia synthesis catalyst can in particular have a temperature of 400.degree. C. to 500.degree.

Bei der ersten Verfahrensvariante kann somit das Gas vollständig oder auch nur teilweise bei einer Temperatur von beispielsweise zwischen etwa 400 °C und 500 °C durch einen Wärmetauscher geleitet werden, durch welchen auf der anderen Seite das relativ kältere Gas zur Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators strömt.In the first variant of the method, the gas can thus be passed completely or only partially at a temperature of, for example, between about 400 ° C and 500 ° C through a heat exchanger, through which the relatively colder gas flows on the other side to warm up the ammonia synthesis catalyst.

Üblicherweise befindet sich hinter der Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konvertierung eine Abwärmenutzung, zum Beispiel in Form eines Kesselspeisewasservorwärmers, welcher Wärme aus der exothermen Kohlenmonoxid-Konvertierung gemäß Reaktion (2) durch Vorwärmung von Kesselspeisewasser oder anderen Medien abführt. Dies geschieht, um die Eintrittstemperatur für die nachfolgende Niedertemperatur-Kohlenmonoxid-Konvertierung (LTS) entsprechend auf beispielsweise etwa 200 °C einzustellen. Die Erwärmung des Kesselspeisewassers dient im weiteren Verlauf der Energienutzung zur Erzeugung von Hochdruckdampf mit welchem nach anschließender Überhitzung diverse Antriebsmaschinen in der Ammoniakanlage angetrieben werden. Die, bedingt durch die Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators, fehlende Energie zur Kesselspeisewasservorwärmung kann gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahren anderweitig bereitgestellt werden, zum Beispiel durch den Einsatz eines externen Hilfskessels, welcher in den meisten Anwendungsfällen aber ohnehin in einer Ammoniakanlage vorhanden ist.Usually there is waste heat utilization behind the high-temperature carbon monoxide conversion, for example in the form of a boiler feed water preheater, which generates heat from the exothermic carbon monoxide conversion according to reaction ( 2 ) by preheating boiler feed water or other media. This is done in order to set the inlet temperature for the subsequent low-temperature carbon monoxide conversion (LTS) to approximately 200 ° C., for example. The heating of the boiler feed water serves in the further course of the energy use to generate high pressure steam with which various drive machines in the ammonia plant are driven after subsequent overheating. According to a preferred variant of the method according to the invention, the lack of energy for boiler feed water preheating due to the preheating of the ammonia synthesis catalyst can be provided in another way, for example by using an external auxiliary boiler, which in most applications is already present in an ammonia plant.

Für die gängigen Ammoniakproduktionskapazitäten zwischen beispielsweise etwa 1000 und etwa 3300 Tagestonnen bewegt sich die bereitzustellende Energie für die Erwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Bereich von etwa 7 bis etwa 20 MegaWatt. Bei dieser Variante der Erfindung sind keine nennenswerten Veränderungen in der Prozessführung notwendig.For the common ammonia production capacities between, for example, approximately 1000 and approximately 3300 tons per day, the energy to be provided for heating the ammonia synthesis catalyst ranges from approximately 7 to approximately 20 Megawatt. In this variant of the invention, no noteworthy changes in the process management are necessary.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante der Erfindung umfasst das Verfahren wenigstens eine Methanisierung und das bei der Methanisierung entstehende heiße Prozessgas wird stromabwärts der Methanisierung ganz oder nur teilweise durch die als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung geleitet, durch welche im Gegenstrom ein kälterer Gasstrom geleitet und erwärmt wird, welcher zum Aufwärmen des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter dient.According to a second preferred variant of the invention, the method comprises at least one methanation and the hot process gas resulting from the methanation is wholly or only partially passed downstream of the methanation through the device designed as a heat exchanger for preheating, through which a colder gas flow is passed and heated in countercurrent , which is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter.

Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung alternative Möglichkeit, um die entsprechende Aktivierungsenergie für den Katalysator in der Ammoniaksynthese bereitzustellen, besteht somit in der Verwendung der exothermen Reaktionsenergie aus der Methanisierung. Die Aufgabe der Methanisierung besteht darin, die für die anschließende Ammoniakreaktion schädlichen Restspuren an Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) aus dem Prozessgas zu entfernen. Dies geschieht durch eine katalytische Reaktion, in welcher die im Prozessgas verbleibenden Anteile an CO und CO2 mit dem im Prozessgas befindlichen Wasserstoff H2 entsprechend den nachfolgenden Reaktionsgleichungen (3) und (4) zu Methan reagieren. Diese Reaktion erfolgt exotherm und die hierbei freigesetzte Wärmemenge kann durch die Menge an CO2 und CO im Prozessgas beeinflusst werden. CO + 3 H2 → CH4 + H2O (3) CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (4) An alternative possibility within the scope of the present invention to provide the corresponding activation energy for the catalyst in the ammonia synthesis is thus to use the exothermic reaction energy from the methanation. The task of methanation is to remove the residual traces of carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) from the process gas, which are harmful for the subsequent ammonia reaction. This happens through a catalytic reaction in which the proportions of CO and CO 2 remaining in the process gas with the hydrogen H 2 in the process gas according to the following reaction equations ( 3 ) and ( 4th ) react to methane. This reaction takes place exothermically and the amount of heat released can be influenced by the amount of CO 2 and CO in the process gas. CO + 3 H 2 → CH 4 + H 2 O (3) CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O (4)

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das für die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators verwendbare, aus der Methanisierung austretende, heiße Prozessgas eine Temperatur von wenigstens 390 °C, vorzugsweise eine Temperatur von wenigstens 400 °C, besonders bevorzugt eine Temperatur von wenigstens 410 °C auf. Dabei kann das aus der Methanisierung austretende heiße Gas in einem Wärmetauscher ganz oder nur teilweise verwendet werden, um das auf der anderen Seite des Wärmetauschers strömende kalte Gas zur Erwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators vorzuwärmen. In diesem Fall kann ein Teil der Reaktionswärme aus der Methanisierung für den Anfahrvorgang des Ammoniaksynthesekreislaufes verwendet werden.In the process according to the invention, the hot process gas exiting from the methanation which can be used for heating the ammonia synthesis catalyst has a temperature of at least 390 ° C., preferably a temperature of at least 400 ° C., particularly preferably a temperature of at least 410 ° C. The hot gas emerging from the methanation can be used entirely or only partially in a heat exchanger in order to preheat the cold gas flowing on the other side of the heat exchanger to heat the ammonia synthesis catalyst. In this case, part of the heat of reaction from the methanation can be used for the start-up process of the ammonia synthesis cycle.

Üblicherweise wird nach dem Stand der Technik das aus der Methanisierung austretende Gas mit einer Temperatur von beispielsweise ca. 330 °C in einem Gas-Gas-Wärmetauscher (GGT) dazu verwendet, das in die Methanisierung eintretende Prozessgas auf die erforderliche Aktivierungstemperatur der Methanisierungsreaktion vorzuwärmen. Die erforderliche Aktivierungstemperatur für die Methanisierung beträgt ungefähr 300 °C. Bedingt durch die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators würde dementsprechend für die Einstellung der Eintrittstemperatur in die Methanisierung weniger Energie zur Verfügung stehen.Usually, according to the state of the art, the gas exiting the methanation with a temperature of, for example, approx. 330 ° C is used in a gas-gas heat exchanger (GGT) to preheat the process gas entering the methanation to the required activation temperature of the methanation reaction. The required activation temperature for methanation is approximately 300 ° C. As a result of the warming up of the ammonia synthesis catalyst, less energy would be available for setting the inlet temperature in the methanation.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das in die Methanisierung eintretende Prozessgas eine minimale Temperatur von 300 °C, vorzugsweise eine minimale Temperatur von 320 °C, besonders bevorzugt eine minimale Temperatur von 330 °C auf.In the method according to the invention, the process gas entering the methanation has a minimum temperature of 300 ° C, preferably a minimum temperature of 320 ° C, particularly preferably a minimum temperature of 330 ° C.

Vorzugsweise wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein der Methanisierung im Strömungsweg vorgeschalteter Anfahrvorwärmer für die Einstellung der Eintrittstemperatur des Prozessgases in die Methanisierung verwendet. Da auch im normalen Anlagenbetrieb bei frischem Katalysator in der Methanisierung die exotherme Reaktionsenergie aus der Methanisierung üblicherweise nicht ausreicht, um die erforderlichen 300 °C am Eintritt der Methanisierung bereitzustellen, ist bei einer bevorzugten Konzeption der erfindungsgemäßen Anlage dem Methanisierungsreaktor ein Anfahrvorwärmer vorgeschaltet. Der Anfahrvorwärmer stellt die Wärme für die Einstellung der Methanisierungseintrittstemperatur in den meisten Fällen durch die Kondensation von Hochdruckdampf zur Verfügung, der aus der Dampftrommel aus den vorgeschalteten Prozessschritten entnommen werden kann. Diese Methode kann auch dann angewendet werden, wenn ein Teil der Wärme aus der Methanisierungsreaktion für die Vorwärmung des Katalysators in der Ammoniaksynthese verwendet werden soll.According to a further development of the method according to the invention, a start-up preheater connected upstream of the methanation in the flow path is preferably used for setting the inlet temperature of the process gas into the methanation. Since the exothermic reaction energy from the methanation is usually not sufficient to provide the required 300 ° C at the start of the methanation even in normal plant operation with a fresh catalyst in the methanation, a start-up preheater is connected upstream of the methanation reactor in a preferred design of the plant according to the invention. The start-up preheater provides the heat for setting the methanation inlet temperature in most cases through the condensation of high-pressure steam, which can be taken from the steam drum from the upstream process steps. This method can also be used if part of the heat from the methanation reaction is to be used to preheat the catalyst in the ammonia synthesis.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aus der Methanisierung austretende heiße Prozessgas mindestens teilweise durch einen der Methanisierung zugeordneten Gas/Gas-Wärmetauscher geleitet und dazu verwendet, das der Methanisierung zugeführte Prozessgas vorzuwärmen.According to a preferred development of the method according to the invention, the hot process gas emerging from the methanation is at least partially passed through a gas / gas heat exchanger assigned to the methanation and used to preheat the process gas fed to the methanation.

Dabei kann weiterhin zusätzlich ein der Methanisierung im Strömungsweg vorgeschalteter Anfahrvorwärmer für die Einstellung der Eintrittstemperatur des Prozessgases in die Methanisierung verwendet werden.A start-up preheater upstream of the methanation in the flow path can also be used to set the inlet temperature of the process gas in the methanation.

Besonders bevorzugt wird das Prozessgas vor Eintritt in die Methanisierung zunächst durch einen Gas/Gas-Wärmetauscher und danach durch einen Anfahrvorwärmer geleitet.Particularly preferably, the process gas is first passed through a gas / gas heat exchanger and then through a start-up preheater before entering the methanation.

Die Temperatur am Austritt der Methanisierung beträgt unter normalen Prozessbedingungen beispielsweise etwa 330 °C bis 340 °C und wird beeinflusst durch den Gehalt an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Eintrittsgas in die Methanisierung. Unter normalen Prozessbedingungen beträgt der CO-Gehalt des in die Methanisierung eintretenden Eintrittsgases beispielsweise etwa 0,3 Vol.-% und der CO2-Gehalt beträgt dort beispielsweise etwa 0,05 Vol.-%. Der CO-Gehalt wird im vorgeschalteten (in der Regel mehrstufigen) Schritt der CO-Konvertierung und der CO2-Gehalt wird im vorgeschalteten Schritt der CO2-Reinigung eingestellt. Die in der Methanisierung stattfindenden Reaktionen von CO und CO2 zu Methan und Wasser gemäß den obigen Reaktionsgleichungen (3) und (4) führen üblicherweise zu den oben erwähnten Austrittstemperaturen aus der Methanisierung von beispielsweise etwa 330 °C bis etwa 340 °C.The temperature at the methanation outlet is under normal process conditions for example about 330 ° C to 340 ° C and is influenced by the content of carbon monoxide and carbon dioxide in the gas entering the methanation. Under normal process conditions, the CO content of the inlet gas entering the methanation is, for example, about 0.3% by volume and the CO 2 content there is, for example, about 0.05% by volume. The CO content is set in the upstream (usually multi-stage) step of CO conversion and the CO 2 content is set in the upstream step of CO 2 cleaning. The reactions of CO and CO 2 to methane and water that take place in methanation according to the above reaction equations ( 3 ) and (4) usually lead to the above-mentioned outlet temperatures from the methanation of, for example, about 330 ° C to about 340 ° C.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Verfahren wenigstens einen Verfahrensschritt zur Entfernung von Kohlendioxid (CO2-Wäsche) aus dem Prozessgas in einer dazu vorgesehenen Einrichtung vor der Einleitung des Prozessgases in den Ammoniakkonverter und stromaufwärts der Methanisierung, wobei ein Teilstrom des Prozessgases direkt der Methanisierung unter Umgehung dieser Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid zugeführt wird. Da für die Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Idealfall eine Vorwärmtemperatur von beispielsweise etwa 380 °C vorliegen sollte, ist unter Berücksichtigung einer moderaten Wärmeaustauschfläche im Wärmeüberträger zwischen Methanisierung und Ammoniakkatalysatorvorwärmer eine Austritttemperatur aus der Methanisierung in der Größenordnung von etwa 400 °C vorteilhaft. Um nun die erforderliche Austrittstemperatur aus der Methanisierung zu erreichen, führt man vorzugsweise einen Teil des Prozessgases (vorzugsweise etwa 5 bis 10 % der molaren Menge) um die CO2-Wäsche herum, um so den CO2-Gehalt im Prozessgas vor der Methanisierung künstlich zu erhöhen. Dadurch kann die exotherme Reaktion in der Methanisierung verstärkt und die Austrittstemperatur aus der Methanisierung entsprechend auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden.According to a preferred development of the invention, the method comprises at least one method step for removing carbon dioxide (CO 2 scrubbing) from the process gas in a device provided for this purpose before the process gas is introduced into the ammonia converter and upstream of the methanation, with a partial flow of the process gas directly from the Methanation is supplied bypassing this facility for removing carbon dioxide. Since ideally a preheating temperature of, for example, about 380 ° C should be present for preheating the ammonia synthesis catalyst, an exit temperature from the methanation of around 400 ° C is advantageous, taking into account a moderate heat exchange surface in the heat exchanger between the methanation and ammonia catalyst preheater. In order to achieve the required exit temperature from the methanation, a part of the process gas (preferably about 5 to 10% of the molar amount) is preferably passed around the CO 2 scrubbing in order to artificially reduce the CO 2 content in the process gas before the methanation to increase. As a result, the exothermic reaction in the methanation can be intensified and the outlet temperature from the methanation can be adjusted accordingly to the required temperature.

Bei den hierin beschriebenen alternativen Varianten zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators ist die Dauer der Vorwärmung des Synthesekatalysators ein relevanter Einflussfaktor. Im kalten Zustand des Ammoniakkonverters zu Beginn der Vorwärmung beträgt die Prozessgastemperatur in der Einrichtung zur Vorwärmung (Start-up-Heater) für den Katalysator der Ammoniaksynthese beispielsweise etwa 50 °C bis etwa 80 °C. Bei einer ungefähren Rate von beispielsweise etwa 80 °C bis etwa 100 °C pro Stunde dauert der Vorgang des Vorwärmens des Ammoniaksynthesekatalysators im Durchschnitt beispielsweise etwa 4 bis etwa 6 Stunden. In diesem Zeitraum ändert sich mit fortlaufender Dauer auch die Anforderung an die Start-up-Heater-Leistung der Ammoniaksynthese. Je wärmer der Katalysator wird, desto weniger Wärme muss durch den Start-up-Heater der Ammoniaksynthese bereitgestellt werden. Diese sich verändernden Anforderungen an den Start-Up-Heater der Ammoniaksynthese können auf unterschiedliche Art und Weise in den in der vorliegenden Anmeldung aufgeführten bevorzugten Prozessalternativen berücksichtigt werden.In the alternative variants for preheating the ammonia synthesis catalyst described herein, the duration of the preheating of the synthesis catalyst is a relevant influencing factor. In the cold state of the ammonia converter at the beginning of the preheating, the process gas temperature in the device for preheating (start-up heater) for the ammonia synthesis catalyst is, for example, about 50 ° C to about 80 ° C. At an approximate rate of, for example, about 80 ° C. to about 100 ° C. per hour, the process of preheating the ammonia synthesis catalyst takes, on average, about 4 to about 6 hours, for example. During this period, the requirements for the start-up heater performance of the ammonia synthesis also change over time. The warmer the catalyst, the less heat has to be provided by the start-up heater for the ammonia synthesis. These changing requirements for the start-up heater for ammonia synthesis can be taken into account in different ways in the preferred process alternatives listed in the present application.

Bei der Variante gemäß 1 würde sich als Konsequenz der immer weiter steigenden Eintrittstemperatur des Ammoniaksynthesegases in den Vorwärmer der Ammoniaksynthese die erforderliche Leistung des Wärmetauschers zwischen der Hochtemperatur-CO-Konvertierung und dem beispielsweise nachgeschalteten Kesselspeisewasservorwärmer immer weiter verringern und damit wieder mehr Wärme für die Kesselspeisewasservorwärmung zur Verfügung stehen. In diesem Fall würde sich mit fortlaufender Dauer die benötigte zusätzliche Wärme von einem gegebenenfalls zu verwendenden Hilfskessel verringern.With the variant according to 1 As a consequence of the constantly increasing inlet temperature of the ammonia synthesis gas in the preheater of the ammonia synthesis, the required performance of the heat exchanger between the high-temperature CO conversion and the downstream boiler feed water preheater, for example, would continue to decrease and thus more heat would be available again for boiler feed water preheating. In this case, the additional heat required from an auxiliary boiler that may have to be used would decrease over time.

Bei der Variante gemäß 2 ist es an dieser Stelle nicht möglich, die um die CO2-Wäsche herum geleitete Menge an Prozessgas zu minimieren, da der CO2-Gehalt am Eintritt in die Methanisierung entsprechend hoch gehalten werden muss, um die erforderliche Temperatur von beispielsweise etwa 380 °C für den Ammoniakkonverterkatalysator bereitzustellen. Da sich die Leistung des Vorwärmers der Ammoniaksynthese mit fortlaufender Dauer immer weiter verringert, steigt die Eintrittstemperatur in den Gas-Gas-Tauscher und damit auch die Eintrittstemperatur in den dampfbetriebenen Vorwärmer der Methanisierung. Die Eintrittstemperatur in die Methanisierung sollte dabei vorzugsweise eine Temperatur von etwa 300 °C nicht überschreiten. Im Falle einer Prozessgastemperatur von über 300 °C vor dem Vorwärmer der Methanisierung müsste eine entsprechende Wärmeabnahme im Vorwärmer erfolgen. Dies kann beispielsweise durch die Verdampfung von Kesselspeisewasser geschehen, wobei der dabei generierte Dampf an anderer Stelle im Prozess zu Vorwärmzwecken (beispielsweise im Prozesskondensatorstripper) verwendet werden kann.With the variant according to 2 It is not possible at this point to minimize the amount of process gas passed around the CO 2 scrubber, since the CO 2 content at the entry into the methanation must be kept high, around the required temperature of around 380 ° C, for example to provide for the ammonia converter catalyst. Since the performance of the preheater for ammonia synthesis decreases with increasing duration, the inlet temperature in the gas-gas exchanger increases and thus also the inlet temperature in the steam-operated preheater for methanation. The inlet temperature into the methanation should preferably not exceed a temperature of about 300 ° C. In the case of a process gas temperature of over 300 ° C upstream of the methanation preheater, a corresponding heat removal would have to take place in the preheater. This can be done, for example, by evaporating boiler feed water, whereby the steam generated in the process can be used for preheating purposes elsewhere in the process (for example in the process capacitor stripper).

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Anlage zur Herstellung von Ammoniak umfassend wenigstens einen Ammoniakkonverter sowie diesem im Strömungsweg vorgeschaltete Aggregate zur Erzeugung und Aufbereitung eines in den Ammoniakkonverter einzuleitenden Synthesegases umfassend wenigstens eine Reformersektion, wenigstens eine dieser im Strömungsweg nachgeschaltete Kohlenmonoxid-Konvertierung sowie wenigstens eine Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen, wobei erfindungsgemäß als Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators wenigstens eine als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung vorgesehen ist, welche stromabwärts der Kohlenmonoxid-Konvertierung angeordnet ist und einerseits von einem heißen Prozessgas durchströmt wird und welche andererseits eingangsseitig in Wirkverbindung mit wenigstens einer Leitung für einen kälteren Gasstrom von in der Anlage aufbereitetem Synthesegas steht, im Wärmetausch zu dem heißen Prozessgas, und ausgangsseitig über wenigstens eine Leitung mit dem Ammoniakkonverter in Wirkverbindung steht.The present invention also relates to a plant for the production of ammonia comprising at least one ammonia converter and units upstream of this in the flow path for generating and processing a synthesis gas to be fed into the ammonia converter comprising at least one reformer section, at least one carbon monoxide conversion downstream of this in the flow path and at least one device for preheating the ammonia synthesis catalyst in one Start-up phase when starting the reaction in order to generate the necessary activation energy for the ammonia synthesis reaction, whereby according to the invention at least one device designed as a heat exchanger for preheating is provided as a device for preheating the ammonia synthesis catalyst, which device is arranged downstream of the carbon monoxide conversion and on the one hand is flowed through by a hot process gas and which, on the other hand, is in operative connection on the input side with at least one line for a colder gas stream of synthesis gas processed in the plant, in heat exchange with the hot process gas, and on the output side in operative connection with the ammonia converter via at least one line.

Ein wesentliches Element der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators in einen eigenen separaten Leitungskreislauf eingebunden ist, welcher vorzugsweise über Ventile oder dergleichen absperrbar ist, so dass man heißes Prozessgas, welches in einem stromaufwärts dieser Einrichtung anfallenden Anlagenteil anfällt, in einer Anfahrphase durch diese Einrichtung leiten kann und das dem Ammoniakkonverter zugeführte Synthesegas in der Anfahrphase zwecks Vorwärmung durch Wärmetausch ebenfalls durch diese Einrichtung geleitet werden kann. Im regulären Betrieb der Anlage kann man hingegen den genannten separaten Leitungskreislauf gegebenenfalls absperren und das in der Anlage erzeugte Synthesegas direkt dem Ammoniaksynthesereaktor zuführen, da eine Vorwärmung nicht mehr erforderlich ist.An essential element of the solution according to the invention is that the device for preheating the ammonia synthesis catalyst is integrated into its own separate line circuit, which can preferably be shut off via valves or the like, so that hot process gas, which is produced in a system part upstream of this device, is in a start-up phase can pass through this device and the synthesis gas fed to the ammonia converter in the start-up phase for the purpose of preheating by heat exchange can also be passed through this device. In normal operation of the plant, on the other hand, the above-mentioned separate line circuit can optionally be shut off and the synthesis gas generated in the plant can be fed directly to the ammonia synthesis reactor, since preheating is no longer necessary.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man die Einrichtung zur Vorwärmung wahlweise mit unterschiedlichen Anlagenteilen verschalten kann, in denen heiße Prozessgase anfallen, beispielsweise mit einer Kohlenmonoxid-Konvertierung oder mit einer Einrichtung zur Methanisierung. Dies sind Anlagenteile, die in der Regel in einer Ammoniakanlage vorhanden sind und bei denen ausgangsseitig Prozessgase mit gegebenenfalls unterschiedlichen Temperaturen anfallen, so dass die in diesen Prozessgasen gespeicherte Wärmeenergie je nach Bedarf gezielt und variabel für die Vorwärmung des Synthesegases, welches dem Ammoniakkonverter zugeführt wird, genutzt werden kann.Another advantage of the invention is that the device for preheating can optionally be connected to different system parts in which hot process gases arise, for example with a carbon monoxide conversion or with a device for methanation. These are system parts that are usually present in an ammonia system and in which process gases with possibly different temperatures occur on the outlet side, so that the thermal energy stored in these process gases is targeted and variable for preheating the synthesis gas that is fed to the ammonia converter, as required, can be used.

Der vorgenannte separate Leitungskreislauf für die Einrichtung zur Vorwärmung ist vorzugsweise derart in das Leitungssystem der Anlage eingebunden, dass das Synthesegas stromabwärts des Synthesegaskompressors in diesen separaten Leitungskreislauf einströmen kann und nach der Vorwärmung in der Einrichtung dann dem Ammoniaksynthesereaktor zugeführt wird. Dieser separate Leitungskreislauf wird in der Regel nur in der Anfahrphase der Anlage von dem Synthesegas durchströmt, während dieses im regulären Betrieb durch wenigstens eine alternative Leitung vom Synthesegaskompressor direkt zum Ammoniaksynthesereaktor strömen kann.The aforementioned separate line circuit for the device for preheating is preferably integrated into the line system of the plant in such a way that the synthesis gas can flow into this separate line circuit downstream of the synthesis gas compressor and is then fed to the ammonia synthesis reactor after being preheated in the device. This separate line circuit is generally only flowed through by the synthesis gas in the start-up phase of the plant, while this can flow through at least one alternative line from the synthesis gas compressor directly to the ammonia synthesis reactor in regular operation.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist die Einrichtung zur Vorwärmung stromabwärts einer ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung der Anlage angeordnet und wird von einem in der ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung erzeugten heißen Prozessgas durchströmt, wobei die Einrichtung zur Vorwärmung stromaufwärts einer zweiten Kohlenmonoxid-Konvertierung der Anlage angeordnet ist. Bei dieser Variante der Ausbildung der Anlage kann die in der ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung auftretende Erwärmung des Prozessgases für die Vorwärmung des Synthesegases genutzt werden, bevor dieses in den Ammoniakkonverter gelangt. Die erste Kohlenmonoxid-Konvertierung kann beispielsweise bei einer vergleichsweise höheren Temperatur arbeiten, während die zweite, stromabwärts von dieser, angeordnete Kohlenmonoxid-Konvertierung vorzugsweise eine Niedertemperatur-CO-Konvertierung ist, in der eine zusätzliche Wassergas-Shift-Reaktion abläuft. Häufig umfassen Anlagen zur Aufbereitung des Synthesegases für eine Ammoniakreaktion zwei solche Kohlenmonoxid-Konvertierungen, die hintereinander geschaltet sind und bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten.According to a preferred embodiment of the invention, the device for preheating is arranged downstream of a first carbon monoxide conversion of the system and a hot process gas generated in the first carbon monoxide conversion flows through it, the device for preheating being arranged upstream of a second carbon monoxide conversion of the system . In this variant of the design of the system, the heating of the process gas that occurs in the first carbon monoxide conversion can be used to preheat the synthesis gas before it gets into the ammonia converter. The first carbon monoxide conversion can work, for example, at a comparatively higher temperature, while the second carbon monoxide conversion, arranged downstream of this, is preferably a low-temperature CO conversion, in which an additional water-gas shift reaction takes place. Systems for processing the synthesis gas for an ammonia reaction often include two such carbon monoxide conversions, which are connected in series and work at different temperatures.

Bei einer Variante der erfindungsgemäßen Anlage ist die Einrichtung zur Vorwärmung stromabwärts einer Methanisierung der Anlage angeordnet und wird von einem in der Methanisierung erzeugten heißen Prozessgas durchströmt. Bei dieser Variante wird somit anstelle des heißen Prozessgasstroms aus der Kohlenmonoxid-Konvertierung die Wärme eines Prozessgasstroms aus der Methanisierung genutzt, welche in der Regel Bestandteil einer Ammoniakanlage ist.In a variant of the system according to the invention, the device for preheating is arranged downstream of a methanation of the system and a hot process gas generated in the methanation flows through it. In this variant, instead of the hot process gas flow from the carbon monoxide conversion, the heat of a process gas flow from the methanation, which is usually part of an ammonia plant, is used.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anlage weiterhin wenigstens eine Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Prozessgas, welche bevorzugt stromaufwärts der Methanisierung angeordnet ist, wobei weiterhin wenigstens eine Leitung vorgesehen ist, welche von dem Prozessgas unter Umgehung der Einrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid durchströmbar ist, bevor das Prozessgas in die Methanisierung gelangt. In der Regel ist bei Ammoniakanlagen eine so genannte CO2-Wäsche vorhanden, welche die Aufgabe hat, das bei dem vorhergehenden CO-Shift erzeugte CO2 zumindest weitgehend zu entfernen. Wenn man einen Teil des Prozessgases (vorzugsweise etwa 5 bis 10 % der molaren Menge) um die CO2-Wäsche herum führt, kann man den CO2-Gehalt im Prozessgas vor der Methanisierung künstlich erhöhen. Dadurch kann die exotherme Reaktion in der Methanisierung verstärkt und die Austrittstemperatur aus der Methanisierung entsprechend auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden.The system according to the invention preferably further comprises at least one device for removing carbon dioxide from the process gas, which is preferably arranged upstream of the methanation, wherein at least one line is also provided through which the process gas can flow, bypassing the device for removing carbon dioxide, before the Process gas enters the methanation. As a rule, so-called CO 2 scrubbing is present in ammonia plants, which has the task of at least largely removing the CO 2 generated during the previous CO shift. If part of the process gas (preferably about 5 to 10% of the molar amount) is passed around the CO 2 scrubbing, the CO 2 content in the process gas can be artificially increased before the methanation. This can intensify the exothermic reaction in the methanation and the exit temperature from the methanation adjusted accordingly to the required temperature.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anlage weiterhin eine von der Einrichtung zur Vorwärmung ausgangsseitig zu einem Gas/Gas-Wärmetauscher der Methanisierungseinheit zurück führende Leitung, wobei vorzugsweise weiterhin eine von heißem Prozessgas aus der Methanisierung durchströmte Leitung zu dem Gas/Gas-Wärmetauscher führt. Der der Methanisierung zugeordnete Gas/Gas-Wärmetauscher wird dazu verwendet, das der Methanisierung zugeführte Prozessgas vorzuwärmen. Sofern das in der vorgenannten zurück führenden Leitung strömende Prozessgas nach Durchströmen der Einrichtung zur Vorwärmung noch eine genügend hohe Temperatur aufweist, kann man diese Wärme nutzen, um in dem Gas/Gas-Wärmetauscher das Prozessgas zu erwärmen, welches der Methanisierung zugeführt wird.The system according to the invention preferably further comprises a line leading back from the device for preheating on the output side to a gas / gas heat exchanger of the methanation unit, wherein preferably a line through which hot process gas from the methanation flows also leads to the gas / gas heat exchanger. The gas / gas heat exchanger assigned to the methanation is used to preheat the process gas supplied to the methanation. If the process gas flowing in the aforementioned return line still has a sufficiently high temperature after flowing through the device for preheating, this heat can be used to heat the process gas in the gas / gas heat exchanger, which is fed to the methanation.

Ausgangsseitig bezüglich des sich bei dem Wärmetausch abkühlenden Prozessgasstroms steht der Gas/Gas-Wärmetauscher vorzugsweise über eine Leitung mit dem Ammoniakkonverter in Wirkverbindung, wobei dem Ammoniakkonverter in der Regel ein Synthesegaskompressor vorgeschaltet ist, um das Prozessgas auf den für die Ammoniakreaktion erforderlichen Druck zu bringen. Anschließend gelangt das temperierte Synthesegas entweder-im regulären Betrieb der Anlage-direkt in den Ammoniakkonverter oder-in der Anfahrphase durchströmt das von dem Gas/Gas-Wärmetauscher kommende Prozessgas zunächst die oben beschriebene Einrichtung zur Vorwärmung und wird dann dem Ammoniakkonverter zugeführt.On the output side with respect to the process gas stream that cools during the heat exchange, the gas / gas heat exchanger is preferably in operative connection with the ammonia converter via a line, with a synthesis gas compressor usually being connected upstream of the ammonia converter in order to bring the process gas to the pressure required for the ammonia reaction. The temperature-controlled synthesis gas then either enters the ammonia converter directly during regular operation of the plant or, in the start-up phase, the process gas coming from the gas / gas heat exchanger initially flows through the preheating device described above and is then fed to the ammonia converter.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbaren Anlage gemäß einer ersten möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften, für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbaren Anlage gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
The present invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show:
  • 1 a schematically simplified representation of an exemplary plant that can be used for the method according to the invention according to a first possible embodiment variant of the present invention;
  • 2 a schematically simplified representation of an exemplary plant that can be used for the method according to the invention according to a second possible embodiment variant of the present invention.

Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf die 1 der grundsätzliche Aufbau einer Anlage zur Herstellung von Ammoniak erläutert, bei der erfindungsgemäß eine Vorwärmung des Katalysators für die Ammoniakreaktion mit Hilfe eines heißen Prozessgases aus einem der vorgeschalteten Prozessschritte erfolgt. In 1 sind nur die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Anlagenteile einer Ammoniakanlage dargestellt. Diese umfasst in der Regel eine Reformersektion 10, welche unterschiedliche Reformer umfassen kann, beispielsweise eine Kombination aus einem Primärreformer und einem diesem nachgeschalteten Sekundärreformer. Alternativ kann beispielsweise auch ein autothermer Reformer verwendet werden oder Kombinationen diverser Reformer der genannten Art. Im Falle der Verwendung eines Primärreformers erfolgt in diesem eine Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzgasstromes, beispielsweise Erdgas, wobei Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugt werden gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Reaktionsgleichung (5): CH4 + H2O → CO + 3 H2 (5) In the following, first with reference to the 1 the basic structure of a plant for the production of ammonia is explained in which, according to the invention, the catalyst for the ammonia reaction is preheated with the aid of a hot process gas from one of the upstream process steps. In 1 only the system parts of an ammonia system that are essential for understanding the present invention are shown. This usually includes a reformer section 10 , which can comprise different reformers, for example a combination of a primary reformer and a secondary reformer connected downstream of this. Alternatively, for example, an autothermal reformer or combinations of various reformers of the type mentioned can be used. In the case of using a primary reformer, steam reforming of a hydrocarbon-containing feed gas stream, for example natural gas, takes place in this, with carbon monoxide and hydrogen being generated according to the reaction equation given below ( 5 ): CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 (5)

Im Anschluss an diese Reaktion kann bei Verwendung eines Sekundärreformers eine weitere Umsetzung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff oder Luft vorgesehen sein, wobei weiterer Wasserstoff erzeugt wird gemäß der nachfolgend wiedergegebenen Reaktionsgleichung (5 a): 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2 (5 a) Following this reaction, if a secondary reformer is used, a further conversion of hydrocarbons in the presence of oxygen or air can be provided, with further hydrogen being generated according to the reaction equation given below ( 5 a): 2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2 (5 a)

Das auf diese Weise in der Reformersektion 10 erzeugte Synthesegas wird dann über die Leitung 12 einer ersten Einrichtung 11 zur Kohlenmonoxid-Konvertierung zugeführt, auch als Wassergas-Shift-Reaktion bezeichnet, deren Aufgabe es ist, das im Prozessgas befindliche Kohlenmonoxid (CO) mittels katalytischer Reaktion mit Wasserdampf zu Kohlendoxid und Wasserstoff umzuwandeln gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (6): CO + H2O → CO2 + H2 (6) In this way in the reformer section 10 Synthesis gas is then generated via the pipe 12 a first facility 11 supplied for carbon monoxide conversion, also referred to as a water gas shift reaction, the task of which is to convert the carbon monoxide (CO) in the process gas by means of a catalytic reaction with water vapor to carbon dioxide and hydrogen according to the following reaction equation ( 6th ): CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (6)

Die vorgenannte Reaktion verläuft exotherm. In vielen Fällen werden zwei aufeinanderfolgende CO-Konvertierungen vorgenommen, wobei die erste Einrichtung, die in der 1 mit dem Bezugszeichen 11 versehen ist, eine Hochtemperatur-Kohlenmonoxid-Konvertierung (auch HTS genannt) sein kann. Das so aufbereitete Prozessgas gelangt dann im regulären Betrieb der Anlage über die von der Abzweigung 13 abzweigende Leitung 14 und das geöffnete Ventil 15 sowie über die Abzweigung 16 in die Leitung 17 zu einem Kesselspeisewasservorwärmer 18, in dem überschüssige Wärme aus der Erhitzung des Prozessgases beispielsweise im Wärmetausch zur Vorwärmung von Kesselspeisewasser verwendet werden kann.The aforementioned reaction is exothermic. In many cases, two consecutive CO conversions are made with the first setup set in the 1 with the reference number 11 is provided, a high temperature carbon monoxide conversion (also called HTS) can be. The process gas prepared in this way then reaches the branch during normal operation of the system 13 branching line 14th and the open valve 15th as well as the junction 16 into the line 17th to a boiler feed water preheater 18th , in which excess heat from the heating of the process gas can be used, for example, in heat exchange to preheat boiler feed water.

In der Aufwärmphase der Anlage wird hingegen gemäß der Erfindung das die Hochtemperatur-CO-Konvertierung 11 verlassende Synthesegasgemisch an der Abzweigung 13 über das geöffnete Ventil 45 und die Leitung 44 als heißes Prozessgas der Einrichtung 39 zur Vorwärmung zugeführt, welche im Gegenstrom von dem kühleren Synthesegas durchströmt wird, welches dem Ammoniakkonverter 36 zugeführt wird, um dieses Synthesegas in der Anfahrphase und Aufwärmphase der Anlage in der Einrichtung 39 vorzuwärmen. Die Funktion dieser Einrichtung 39 zur Vorwärmung wird weiter unten noch näher erläutert.In the warm-up phase of the system, however, according to the invention, this is the high-temperature CO conversion 11 leaving syngas mixture at the junction 13 via the open valve 45 and the line 44 as hot process gas the facility 39 supplied for preheating, which is flowed through in countercurrent by the cooler synthesis gas, which the ammonia converter 36 is supplied to this synthesis gas in the start-up phase and warm-up phase of the plant in the facility 39 to preheat. The function of this facility 39 for preheating is explained in more detail below.

Nachfolgend werden zunächst die weiteren Komponenten der in 1 dargestellten Anlage und deren Funktion im regulären Betrieb erläutert. Nach dem Durchströmen des Kesselspeisewasservorwärmers 18 gelangt das Prozessgas über die Leitung 19 in eine zweite CO-Konvertierung, eine so genannte Niedertemperatur-CO-Konvertierung 20, in der bei niedrigerer Temperatur erneut eine Wassergas-Shift-Reaktion gemäß der oben angegebenen Gleichung (2) abläuft. Danach wird das Prozessgas über die Leitung 21 einem weiteren Wärmetauscher 22 zugeführt, in dem eine Wärmerückgewinnung erfolgt. Anschließend wird das Prozessgas über die Leitung 23 einer Einrichtung 24 zugeführt, in der eine CO2-Wäsche erfolgt, welche dazu dient, das zuvor bei der Wassergas-Shift-Reaktion entstandene Kohlendioxid zumindest teilweise aus dem Gasgemisch zu entfernen. Über die Leitung 25 gelangt dann das so aufbereitete Prozessgas zunächst in einen Gas/Gas-Wärmetauscher 26, dann über die Leitung 27 in einen Anfahrvorwärmer 28 für die Methanisierung und wird anschließend über die Leitung 29 der Methanisierung 30 zugeführt.In the following, the other components of the in 1 illustrated system and its function in regular operation. After flowing through the boiler feed water preheater 18th the process gas passes through the pipe 19th into a second CO conversion, a so-called low-temperature CO conversion 20th , in which a water gas shift reaction takes place again at a lower temperature according to equation (2) given above. After that, the process gas is over the line 21st another heat exchanger 22nd supplied, in which a heat recovery takes place. The process gas is then passed through the line 23 a facility 24 supplied, in which a CO 2 scrubbing takes place, which serves to at least partially remove the carbon dioxide previously formed in the water-gas shift reaction from the gas mixture. Over the line 25th The process gas that has been treated in this way then first enters a gas / gas heat exchanger 26th , then over the line 27 in a start-up preheater 28 for methanation and is then over the line 29 methanation 30th fed.

In der Methanisierung werden die im Prozessgas noch enthaltenen Restanteile an Kohlendioxid sowie gegebenenfalls Kohlenmonoxid gemäß den bereits eingangs in der Anmeldung angeführten Reaktionsgleichungen (7) und (8) durch Umwandlung in Methan entfernt. CO + 3 H2 → CH4 + H2O (7) CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O (8) In the methanation, the residual proportions of carbon dioxide and possibly carbon monoxide still contained in the process gas are determined according to the reaction equations already mentioned in the application ( 7th ) and (8) removed by conversion to methane. CO + 3 H 2 → CH 4 + H 2 O (7) CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O (8)

Da diese Reaktion exotherm erfolgt, kommt es in der Methanisierung 30 zu einer erneuten Erwärmung des Prozessgases und man kann die Wärme des aufgeheizten Prozessgases nutzen für einen Wärmetausch, indem man das Gasgemisch aus der Methanisierung 30 über die Leitung 31 dem Gas/Gas-Wärmetauscher 26 zuführt und somit im Gegenstrom zu dem Prozessgasstrom führt, welcher dem Gas/Gas-Wärmetauscher 26 über die Leitung 25 zugeführt wird und anschließend über die Leitungen 27 und 29 in die Methanisierung 30 gelangt. Nach dem Durchströmen des Gas/Gas-Wärmetauschers 26 strömt das Prozessgas durch die Leitung 32 zu einem Synthesegaskompressor 33, mittels dessen es auf den für die Reaktion vorgesehenen Prozessdruck gebracht wird und kann dann im regulären Betrieb der Anlage über die Leitung 34 und das geöffnete Ventil 35 direkt dem Ammoniakkonverter 36 zugeführt werden, in dem das Stickstoff und Wasserstoff enthaltende Synthesegas zu Ammoniak umgesetzt wird.Since this reaction is exothermic, it occurs in the methanation 30th to a renewed heating of the process gas and you can use the heat of the heated process gas for a heat exchange by removing the gas mixture from the methanation 30th over the line 31 the gas / gas heat exchanger 26th feeds and thus leads in countercurrent to the process gas flow, which the gas / gas heat exchanger 26th over the line 25th is fed and then via the lines 27 and 29 into methanation 30th got. After flowing through the gas / gas heat exchanger 26th the process gas flows through the line 32 to a synthesis gas compressor 33 , by means of which it is brought to the process pressure intended for the reaction and can then be used in the regular operation of the system via the line 34 and the open valve 35 directly to the ammonia converter 36 be supplied in which the synthesis gas containing nitrogen and hydrogen is converted to ammonia.

In der Anfahrphase der Anlage ist es jedoch erforderlich, das Synthesegas vorzuwärmen, da der Katalysator für die Ammoniakreaktion eine gewisse Mindesttemperatur benötigt. In diesem Fall ist daher das Ventil 35 zunächst geschlossen und das Ventil 38 ist stattdessen geöffnet, so dass das Synthesegas über die Leitung 37 zunächst der Einrichtung zur Vorwärmung 39 zugeführt wird, durch die es im Gegenstrom zu heißem Prozessgas strömt, welches von der Hochtemperatur-CO-Konvertierung 11 kommend über das geöffnete Ventil und die Leitung 44 der Einrichtung zur Vorwärmung 39 zugeführt wird. Auf diese Weise wird in der Anfahrphase das über die Leitung 37 zugeführte komprimierte Synthesegas in der Einrichtung 39 vorgewärmt und kann dann über die Leitung 40 und das geöffnete Ventil 41 dem Ammoniakkonverter 36 zugeführt werden. Für diese Aufwärmung wird der durch die CO-Konvertierung 11 erwärmete Gasstrom genutzt, das heißt Wärme, die in dem Prozess selbst erzeugt wurde und es ist daher nicht mehr notwendig, eine eigene Brenner-betriebene Heizvorrichtung für die Vorwärmung des dem Ammoniakreaktor 36 zugeführten Synthesegases zu verwenden.In the start-up phase of the plant, however, it is necessary to preheat the synthesis gas because the catalyst requires a certain minimum temperature for the ammonia reaction. In this case, therefore, is the valve 35 initially closed and the valve 38 is instead opened so that the syngas is on the line 37 first the device for preheating 39 is fed through which it flows in countercurrent to hot process gas, which is from the high-temperature CO conversion 11 coming over the open valve and the line 44 the device for preheating 39 is fed. In this way, in the start-up phase, the line is used 37 supplied compressed synthesis gas in the facility 39 preheated and can then over the line 40 and the open valve 41 the ammonia converter 36 are fed. The CO conversion is used for this warming up 11 Heated gas flow is used, i.e. heat that was generated in the process itself and it is therefore no longer necessary to have a separate burner-operated heating device for preheating the ammonia reactor 36 to use supplied synthesis gas.

Die Leitung 37, die Einrichtung 39 zur Vorwärmung und die Leitung 40 bilden einen eigenen separaten und absperrbaren Leitungskreislauf, der für von dem Synthesegaskompressor 33 kommendes Prozessgas wahlweise in der Anfahrphase durchströmt werden kann. Im regulären Betrieb der Anlage, wenn keine Vorwärmung des Synthesegases stromaufwärts des Ammoniakreaktors erforderlich ist, kann die Einrichtung zur Vorwärmung 39 umgangen werden, indem das Ventil 45 geschlossen wird und somit das von der Hochtemperatur-CO-Konvertierung 11 kommende Prozessgas über die Abzweigung und das geöffnete Ventil 15 direkt durch die Leitung 14 in die Leitung 17 strömen kann, um dann den zuvor beschriebenen Prozesskreislauf zu durchlaufen. Auch für das kältere Synthesegases nach dem Synthesegaskompressor 33 kann der separate Leitungskreislauf umgangen werden, indem das Ventil 38 geschlossen und das Ventil 35 geöffnet werden, wenn keine Vorwärmung des Synthesegases mehr erforderlich ist.The administration 37 , the establishment 39 for preheating and the line 40 form their own separate and lockable pipeline circuit that is used by the synthesis gas compressor 33 incoming process gas can optionally be flowed through in the start-up phase. In the regular operation of the plant, if no preheating of the synthesis gas is required upstream of the ammonia reactor, the device for preheating 39 bypassed by the valve 45 is closed and thus that of the high-temperature CO conversion 11 incoming process gas via the branch and the open valve 15th directly through the line 14th into the line 17th can flow in order to then go through the process cycle described above. Also for the colder synthesis gas after the synthesis gas compressor 33 the separate pipeline circuit can be bypassed by opening the valve 38 closed and the valve 35 opened when the synthesis gas no longer needs to be preheated.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Gleiche Anlagenteile sind in 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in 1 und die bereits dort beschriebenen Anlagenteile und ihre Funktion werden hier nicht noch einmal beschrieben. Vielmehr werden hier nur die Unterschiede zu der zuvor beschriebenen Ausführungsvariante dargelegt. Das von der Hochtemperatur-CO-Konvertierung 11 kommende Prozessgas wird hier direkt der Leitung 17 zugeführt und gelangt damit zu dem Kesselspeisewasservorwärmer 18. Die Einrichtung zur Vorwärmung 39 wird somit bei der Variante von 2 an dieser Stelle der Anlage nicht durchströmt.In the following, with reference to the 2 an alternative embodiment of the present invention is illustrated. The same system parts are in 2 denoted by the same reference numerals as in FIG 1 and the system parts already described there and their function are not described again here. Rather, only the differences to the one previously described are shown here Design variant outlined. That from the high temperature CO conversion 11 incoming process gas is here directly by the pipe 17th and thus reaches the boiler feed water preheater 18th . The device for preheating 39 the variant of 2 there is no flow through the system at this point.

Der Anlagenbereich mit dem Kesselspeisewasservorwärmer 18, der Niedertemperatur-CO-Konvertierung 20, dem Wärmetauscher 22 zur Wärmerückgewinnung und der CO2-Wäsche 24 ist im Prinzip gleich konzipiert wie bei der zuvor anhand von 1 beschriebenen Variante. Jedoch ist abweichend zu dieser eine über ein Ventil 47 absperrbare Leitung 46 vorgesehen, die von der Leitung 23 stromaufwärts der CO2-Wäsche abzweigt, so dass die CO2-Wäsche umgangen werden kann und das Prozessgas durch die gestrichelt dargestellte Leitung 46 direkt in die Leitung 25 strömen kann, die zu dem Gas/Gas-Wärmetauscher 26 führt. Die Leitung 25 ist über ein weiteres Ventil 48 absperrbar. Wenn das Ventil 47 in der Umgehungsleitung 46 geschlossen ist, kann das Prozessgas hingegen über die Leitung 23 direkt der CO2-Wäsche zugeleitet werden.The system area with the boiler feed water preheater 18th , the low temperature CO conversion 20th , the heat exchanger 22nd for heat recovery and the CO 2 scrubbing 24 is designed in the same way as in the previous one based on 1 described variant. However, it differs from this one via a valve 47 lockable line 46 provided by the line 23 branches off upstream of the CO 2 scrubber so that the CO 2 scrubber can be bypassed and the process gas through the line shown in dashed lines 46 straight into the line 25th that can flow to the gas / gas heat exchanger 26th leads. The administration 25th is via another valve 48 lockable. When the valve 47 in the bypass line 46 is closed, the process gas can, however, via the line 23 can be fed directly to the CO 2 scrubber.

Bei geöffnetem Ventil 48 gelangt das Prozessgas in den Gas/Gas-Wärmetauscher 26 und strömt anschließend nach Vorwärmung wie oben beschrieben in die Methanisierung 30. Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Variante wird bei der Ausführungsform gemäß 2 der Prozessgasstrom, welcher die Methanisierung 30 verlässt, in der Anfahrphase des Anlagenbetriebs für die Vorwärmung des Synthesegases in der Einrichtung 39 verwendet. Dazu ist eine optional verwendbare und deshalb in gestrichelten Linien dargestellte Leitung 49 vorgesehen, die von der Methanisierung 30 zu der Einrichtung zur Vorwärmung 39 führt und die gegebenenfalls über ein weiteres Ventil 50 absperrbar ist. Dieser heiße Prozessgasstrom aus der Methanisierung dient hier somit dazu, das von dem Synthesegaskompressor 33 verdichtete Synthesegas, welches in der Anfahrphase der Anlage über die Leitung 37 durch die Einrichtung zur Vorwärmung 39 strömt, vorzuwärmen und dann nach Vorwärmung über die Leitung 40 dem Ammoniakkonverter 36 zuzuführen, um dort den Katalysator vorzuwärmen.With the valve open 48 the process gas enters the gas / gas heat exchanger 26th and then, after preheating as described above, flows into the methanation 30th . In contrast to the variant described above, in the embodiment according to FIG 2 the process gas flow, which the methanation 30th leaves, in the start-up phase of the plant operation for preheating the synthesis gas in the facility 39 used. For this purpose, there is an optional cable that is shown in dashed lines 49 provided by methanation 30th to the device for preheating 39 leads and possibly via another valve 50 is lockable. This hot process gas stream from the methanation is used here to dissipate that from the synthesis gas compressor 33 compressed synthesis gas, which in the start-up phase of the plant via the line 37 through the device for preheating 39 flows, preheat and then after preheating over the line 40 the ammonia converter 36 feed to preheat the catalyst there.

Bei der Variante gemäß 2 ist eine weitere gestrichelt dargestellte und über ein Ventil 52 absperrbare Leitung 51 vorgesehen, die eine Rückführung des etwas abgekühlten Prozessgases nach dem Durchströmen der Einrichtung 39 zur Vorwärmung bei geöffnetem Ventil 52 zum Gas/Gas-Wärmetauscher 26 der Methanisierung ermöglicht. Nachdem der Gas/Gas-Wärmetauscher 26 durchströmt wurde, kann über die Leitung 32 das Prozessgas dem Synthesegaskompressor 33 zugeführt werden und danach, je nachdem, ob eine Vorwärmung in der Anfahrphase vorgesehen ist, entweder über die Leitung 34 direkt dem Ammoniakkonverter 36 zugeführt werden oder über die Leitung 37 durch die Einrichtung 39 zur Vorwärmung geleitet und dann über die Leitung 40 dem Ammoniakkonverter 36 zugeführt werden. Ein wesentlicher Unterschied bei der Variante gemäß 2 besteht somit darin, dass man anstelle des Prozessgases nach der Hochtemperatur-CO-Konvertierung 11 ein heißes Prozessgas aus der Methanisierung 30 für die Vorwärmung in der Einrichtung 39 verwendet. Da sich das Prozessgas aus der Leitung 49 beim Durchströmen der Einrichtung 39 zur Vorwärmung abkühlt, wird es über die Leitung 51 zurückgeführt, wobei diese Leitung 51 an einer Abzweigung 54 in die Leitung 31 stromaufwärts des Gas/Gas-Wärmetauschers 26 einmündet. Somit ist es auch möglich, den Prozessgasstrom, der sich in der Methanisierung 30 erwärmt hat und der anschließend über die Leitung 31 zum Gas/Gas-Wärmetauscher 26 strömt, mit dem Prozessgas aus der Leitung 51 zu mischen, um gegebenenfalls eine optimierte Einstellung der Temperatur an dieser Stelle vorzunehmen.With the variant according to 2 is another shown in dashed lines and via a valve 52 lockable line 51 provided that a return of the somewhat cooled process gas after flowing through the device 39 for preheating when the valve is open 52 to the gas / gas heat exchanger 26th methanation made possible. After the gas / gas heat exchanger 26th was flowed through, can over the line 32 the process gas to the synthesis gas compressor 33 and then, depending on whether preheating is provided in the start-up phase, either via the line 34 directly to the ammonia converter 36 be supplied or via the line 37 through the establishment 39 directed to preheating and then over the line 40 the ammonia converter 36 are fed. A major difference in the variant according to 2 is therefore that instead of the process gas after the high-temperature CO conversion 11 a hot process gas from methanation 30th for preheating in the facility 39 used. As the process gas comes out of the pipe 49 when flowing through the facility 39 cools down to preheat it is over the line 51 returned, this line 51 at a junction 54 into the line 31 upstream of the gas / gas heat exchanger 26th joins. It is thus also possible to control the process gas flow that is in the methanation 30th has heated and then over the line 31 to the gas / gas heat exchanger 26th flows, with the process gas from the line 51 to mix in order to make an optimized setting of the temperature at this point if necessary.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
ReformersektionReformer section
1111
Hochtemperatur-CO-KonvertierungHigh temperature CO conversion
1212
Leitung/WirkverbindungLine / operative connection
1313
AbzweigungJunction
1414th
Leitungmanagement
1515th
VentilValve
1616
AbzweigungJunction
1717th
Leitungmanagement
1818th
KesselspeisewasservorwärmerBoiler feed water preheater
1919th
Leitungmanagement
2020th
Niedertemperatur-CO-KonvertierungLow temperature CO conversion
2121st
Leitungmanagement
2222nd
Wärmetauscher zur WärmerückgewinnungHeat exchanger for heat recovery
2323
Leitungmanagement
2424
CO2-WäscheCO 2 washing
2525th
Leitungmanagement
2626th
Gas/Gas-WärmetauscherGas / gas heat exchanger
2727
Leitungmanagement
2828
Anfahrvorwärmer für MethanisierungStart-up preheater for methanation
2929
Leitungmanagement
3030th
MethanisierungMethanation
3131
Leitungmanagement
3232
Leitungmanagement
33 33
SynthesegaskompressorSyngas compressor
3434
Leitungmanagement
3535
VentilValve
3636
AmmoniakkonverterAmmonia converter
3737
Leitungmanagement
3838
VentilValve
3939
Einrichtung zur Vorwärmung in der Anfahrphase/WärmetauscherDevice for preheating in the start-up phase / heat exchanger
4040
Leitungmanagement
4141
VentilValve
4242
Leitungmanagement
4343
VentilValve
4444
Leitungmanagement
4545
VentilValve
4646
Leitungmanagement
4747
VentilValve
4848
VentilValve
4949
Leitungmanagement
5050
VentilValve
5151
Leitungmanagement
5252
VentilValve
5353
VentilValve
5454
AbzweigungJunction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 4171343 A [0005]US 4171343 A [0005]
  • US 2004/0219088 A1 [0006]US 2004/0219088 A1 [0006]

Claims (18)

Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch katalytische Umsetzung eines Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Synthesegasgemisches, wobei in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion der Ammoniaksynthesekatalysator erwärmt wird, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen, wobei für dieses Erwärmen ein heißes Prozessgas verwendet wird, welches in einem der der Ammoniaksynthesereaktion vorgeschalteten Prozessschritte des Herstellungsverfahrens anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass das heiße Prozessgas durch eine nach Art eines Wärmetauschers ausgebildete Einrichtung (39) zur Vorwärmung geleitet wird, die in einen separaten Leitungskreislauf (37, 40) eingebunden ist, welcher im regulären Betrieb der Anlage nicht von dem der Ammoniaksynthesereaktion zugeführten Synthesegas durchströmt wird.Process for the production of ammonia by catalytic conversion of a nitrogen and hydrogen-containing synthesis gas mixture, wherein in a start-up phase when starting the reaction, the ammonia synthesis catalyst is heated in order to generate the necessary activation energy for the ammonia synthesis reaction, a hot process gas being used for this heating, which in a the process steps of the production process upstream of the ammonia synthesis reaction, characterized in that the hot process gas is passed through a device (39) designed in the manner of a heat exchanger for preheating, which is integrated into a separate line circuit (37, 40) which is in regular operation of the Plant is not traversed by the synthesis gas supplied to the ammonia synthesis reaction. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens eine Dampfreformierung (10) umfasst sowie wenigstens eine Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) stromabwärts der Dampfreformierung, wobei das in der Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) erzeugte heiße Prozessgas stromabwärts von dieser durch die als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung (39) zur Vorwärmung geleitet wird, durch welche im Gegenstrom ein kälterer Gasstrom (37) geleitet und erwärmt wird, welcher zum Aufwärmen des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter (36) dient.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the method comprises at least one steam reforming (10) and at least one carbon monoxide conversion (11) downstream of the steam reforming, wherein the hot process gas generated in the carbon monoxide conversion (11) downstream of this through the device designed as a heat exchanger ( 39) is passed for preheating, through which a colder gas flow (37) is passed and heated in countercurrent, which is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter (36). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) erzeugte heiße Prozessgas stromabwärts von dieser aufgeteilt wird (13) und nur ein Teilstrom (44) dieses heißen Prozessgases zur Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter (36) verwendet wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the hot process gas generated in the carbon monoxide converter (11) is divided downstream of this (13) and only a partial flow (44) of this hot process gas is used to heat the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter (36). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kohlenmonoxid-Konvertierung verlassende, für die Aufwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators verwendete, heiße Prozessgas eine Temperatur von 400 °C bis 500 °C aufweist.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the hot process gas leaving the carbon monoxide conversion and used for warming up the ammonia synthesis catalyst has a temperature of 400 ° C to 500 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens eine Methanisierung (30) umfasst und das bei der Methanisierung entstehende heiße Prozessgas stromabwärts der Methanisierung ganz oder nur teilweise durch die als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung zur Vorwärmung (39) geleitet wird, durch welche im Gegenstrom ein kälterer Gasstrom (37) geleitet und erwärmt wird, welcher zum Aufwärmen des Ammoniaksynthesekatalysators im Ammoniakkonverter (36) dient.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the method comprises at least one methanation (30) and the hot process gas resulting from the methanation is passed downstream of the methanation entirely or only partially through the device for preheating (39) designed as a heat exchanger, through which a colder gas flow is countercurrent (37) is passed and heated, which is used to warm up the ammonia synthesis catalyst in the ammonia converter (36). Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Methanisierung eintretende Prozessgas eine Temperatur von wenigstens 300 °C, vorzugsweise eine Temperatur von wenigstens 320 °C, besonders bevorzugt eine Temperatur von wenigstens 330 °C aufweist.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the process gas entering the methanation has a temperature of at least 300 ° C, preferably a temperature of at least 320 ° C, particularly preferably a temperature of at least 330 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Methanisierung austretende heiße Prozessgas mindestens teilweise durch einen der Methanisierung zugeordneten Gas/Gas-Wärmetauscher (26) geleitet und dazu verwendet wird, das der Methanisierung zugeführte Prozessgas vorzuwärmen.Method according to one of the Claims 5 or 6th , characterized in that the hot process gas emerging from the methanation is at least partially passed through a gas / gas heat exchanger (26) assigned to the methanation and is used to preheat the process gas fed to the methanation. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Methanisierung (30) im Strömungsweg vorgeschalteter Anfahrvorwärmer (28) für die Einstellung der Eintrittstemperatur des Prozessgases in die Methanisierung verwendet wird.Procedure according to Claim 7 , characterized in that a start-up preheater (28) upstream of the methanation (30) in the flow path is used to set the inlet temperature of the process gas into the methanation. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas vor Eintritt in die Methanisierung (30) zunächst durch den Gas/Gas-Wärmetauscher (26) und danach durch den Anfahrvorwärmer (28) geleitet wird.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the process gas before entering the methanation (30) is first passed through the gas / gas heat exchanger (26) and then through the start-up preheater (28). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen Verfahrensschritt (24) zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Prozessgas in einer dazu vorgesehenen Einrichtung (24) vor der Einleitung des Prozessgases in den Ammoniakkonverter (36) und stromaufwärts der Methanisierung (30) umfasst und ein Teilstrom des Prozessgases der Methanisierung unter Umgehung dieser Einrichtung (24) zugeführt wird.Method according to one of the Claims 5 to 9 characterized in that this comprises at least one method step (24) for removing carbon dioxide from the process gas in a device (24) provided for this purpose before the process gas is introduced into the ammonia converter (36) and upstream of the methanation (30) and a partial flow of the process gas the methanation is fed by bypassing this device (24). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Methanisierung austretende Prozessgas eine minimale Temperatur von 390 °C, vorzugsweise eine minimale Temperatur von 400 °C, besonders bevorzugt eine minimale Temperatur von 410 °C aufweist.Method according to one of the Claims 5 to 10 , characterized in that the process gas emerging from the methanation has a minimum temperature of 390 ° C, preferably a minimum temperature of 400 ° C, particularly preferably a minimum temperature of 410 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung zur Senkung der Temperatur des Prozessgases im Strömungsweg vor Eintritt in die Methanisierung vorgesehen ist, wobei zu diesem Zweck insbesondere ein der Methanisierung (30) vorgeschalteter Anfahrvorwärmer (28) verwendet wird.Method according to one of the Claims 5 to 11 , characterized in that at least one device for lowering the temperature of the process gas is provided in the flow path before entering the methanation, with a start-up preheater (28) connected upstream of the methanation (30) being used for this purpose. Anlage zur Herstellung von Ammoniak umfassend wenigstens einen Ammoniakkonverter (36) sowie diesem im Strömungsweg vorgeschaltete Aggregate zur Erzeugung und Aufbereitung eines in den Ammoniakkonverter einzuleitenden Synthesegases umfassend wenigstens eine Reformersektion (10), wenigstens eine dieser im Strömungsweg nachgeschaltete Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) sowie wenigstens eine Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators in einer Anfahrphase beim Starten der Reaktion, um die erforderliche Aktivierungsenergie für die Ammoniaksynthesereaktion aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Vorwärmung des Ammoniaksynthesekatalysators wenigstens eine als Wärmetauscher ausgebildete Einrichtung (39) zur Vorwärmung vorgesehen ist, welche stromabwärts der Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) angeordnet ist und einerseits von einem heißen Prozessgas durchströmt wird und welche andererseits eingangsseitig in Wirkverbindung mit wenigstens einer Leitung (37) für einen kälteren Gasstrom von in der Anlage aufbereitetem Synthesegas steht, im Wärmetausch zu dem heißen Prozessgas, und ausgangsseitig über wenigstens eine Leitung (40) mit dem Ammoniakkonverter (36) in Wirkverbindung steht.Plant for the production of ammonia comprising at least one ammonia converter (36) and units upstream of this in the flow path for generating and processing a synthesis gas to be introduced into the ammonia converter comprising at least one reformer section (10), at least one of these in the flow path downstream carbon monoxide converter (11) and at least one device for preheating the ammonia synthesis catalyst in a start-up phase when starting the reaction in order to generate the required activation energy for the ammonia synthesis reaction, characterized in that the device for preheating the ammonia synthesis catalyst is at least one device designed as a heat exchanger (39 ) is provided for preheating, which is arranged downstream of the carbon monoxide converter (11) and on the one hand is traversed by a hot process gas and on the other hand is in operative connection on the inlet side with at least one line (37) for a colder gas flow of synthesis gas processed in the plant, in the heat exchange with the hot process gas, and is in operative connection on the output side via at least one line (40) with the ammonia converter (36). Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorwärmung (39) stromabwärts einer ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) der Anlage angeordnet ist und von einem in der ersten Kohlenmonoxid-Konvertierung (11) erzeugten heißen Prozessgas durchströmt wird und die Einrichtung zur Vorwärmung (39) stromaufwärts einer zweiten Kohlenmonoxid-Konvertierung (20) der Anlage angeordnet ist.Plant after Claim 13 , characterized in that the device for preheating (39) is arranged downstream of a first carbon monoxide converter (11) of the system and is flowed through by a hot process gas generated in the first carbon monoxide converter (11) and the device for preheating (39) is arranged upstream of a second carbon monoxide conversion (20) of the system. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorwärmung (39) stromabwärts einer Methanisierung (30) der Anlage angeordnet ist und von einem in der Methanisierung erzeugten heißen Prozessgas durchströmt wird.Plant after Claim 13 , characterized in that the device for preheating (39) is arranged downstream of a methanation (30) of the plant and a hot process gas generated in the methanation flows through it. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Einrichtung (24) zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Prozessgas umfasst, welche bevorzugt stromaufwärts der Methanisierung (30) angeordnet ist, wobei weiterhin wenigstens eine Leitung (46) vorgesehen ist, welche von dem Prozessgas unter Umgehung der Einrichtung (24) zur Entfernung von Kohlendioxid durchströmbar ist, bevor das Prozessgas in die Methanisierung gelangt.Plant after Claim 15 , characterized in that it comprises at least one device (24) for removing carbon dioxide from the process gas, which is preferably arranged upstream of the methanation (30), wherein at least one line (46) is furthermore provided, which flows from the process gas by bypassing the Device (24) for removing carbon dioxide can be flowed through before the process gas reaches the methanation. Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin eine von der Einrichtung zur Vorwärmung (39) ausgangsseitig zu einem Gas/Gas-Wärmetauscher (26) der Methanisierungseinheit zurück führende Leitung (51) umfasst, wobei vorzugsweise weiterhin eine von heißem Prozessgas aus der Methanisierung durchströmte Leitung (31) zu dem Gas/Gas-Wärmetauscher (26) führt.Plant after Claim 15 or 16 , characterized in that it further comprises a line (51) leading back from the device for preheating (39) on the outlet side to a gas / gas heat exchanger (26) of the methanation unit, wherein preferably also a line through which hot process gas from the methanation flows ( 31) leads to the gas / gas heat exchanger (26). Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas/Gas-Wärmetauscher (26) ausgangsseitig über eine Leitung (32) mit dem Ammoniakkonverter (36) in Wirkverbindung steht.Plant after Claim 17 , characterized in that the gas / gas heat exchanger (26) is in operative connection on the output side via a line (32) with the ammonia converter (36).
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