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Verfahren zur Herstellung einer für die Ammoniaksynthese geeigneten Gasmischung durch fort- laufende Vergasung der Kohle unter Druck.
Wie bekannt, gehen zahlreiche Anlagen für die Ammoniaksynthese vom aus Wassergas erhaltenen Wasserstoff aus. Jenes wird in den gewöhnlichen, bei atmosphärischem Druck arbeitenden Generatoren erzeugt ; hierauf wird es mit Wasserdampf umgesetzt, so dass der grösste Teil des Kohlenoxyds in Kohlendioxyd verwandelt wird ; in der Folge wird es auf ungefähr 25 Atm. komprimiert und der Waschung mit Wasser zwecks Absorbierung des Kohlendioxyds unterworfen ; der so erhaltene Wasserstoff wird noch verschiedenen Behandlungen unterworfen, um die noch anwesenden kleinen Mengen Kohlenoxyd, Methan und anderer Verunreinigungen zu entfernen, und wird schliesslich in den geeigneten Verhältnissen mit dem in gesonderten Anlagen hergestellten Stickstoff vereinigt, um die Gasmischung für die Ammoniaksynthese zu bilden.
In vorliegender Erfindung wendet man die Wassergasreaktionen dergestalt an, dass die Mischung von Stickstoff und Wasserstoff auf einfachere und billigere Art erhalten wird : die Vergasung wird unter Druck vorgenommen, im Dampf-und Luftstrom, unter derartigen Bedingungen, dass eine grundsätzlich aus Wasserstoff, Stickstoff und Kohlendioxyd bestehende Mischung erzielt wird, welche fast vollständig vom Kohlenoxyd frei ist ; diese Mischung braucht nicht mehr mit Wasserdampf umgesetzt zu werden und befindet sich schon unter dem nötigen Druck, um die vollständige Entfernung des Kohlendioxyds auf gebräuchliche Art zu bewerkstelligen ; die in den Generator eingeblasene Luft ist dergestalt bemessen, dass die erhaltene Wasserstoff-Stickstoff-Mischung sich im für die Ammoniaksynthese geeigneten Verhältnis befindet.
Die grundsätzlichen stattfindenden Reaktionen sind, wie in einem gewöhnlichen Wassergenerator, die folgenden :
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Die Reaktion 2 wird, da sie ohne Volumenveränderung stattfindet, nicht vom Druck beeinflusst.
Die mit Volumenverminderung stattfindende Reaktion 3 wird stark durch die Druckerhöhung begünstigt, so dass der grösste Teil des Kohlenoxyds in Kohlendioxyd verwandelt wird ; gleichzeitig wird, da die Reaktion exotherm verläuft, die Endothermizität der Reaktion 1 grösstenteils ausgeglichen ; es genügt hiemit die Anwendung einer relativ geringen Wärmemenge, um die Gasbildung fortlaufend zu gestalten, welche Bedingung für ein Druckverfahren unentbehrlich ist. Indem man mit dem Dampf eine bestimmte Menge an Sauerstoff angereicherter Luft einführt, erhält man einerseits die notwendige Wärmeentwicklung und anderseits die Einführung einer solchen Menge Stickstoff, dass bei den gebildeten Gasen das gewünschte Verhältnis zum Wasserstoff erzielt wird.
Man kommt also zu folgender Reaktion :
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Es ist jedoch hervorzuheben, dass der Kohlenstoff, das Kohlenoxyd und das Kohlendioxyd im
Generator mit Wasserstoff unter Bildung von Methan reagieren können, welche Reaktionen durch die Druckerhöhung begünstigt werden. Ein bekanntes Verfahren zur Gewinnung eines Gases mit starkem Methangehalt und folglich mit grossem Wärmevermögen beruht in der Tat gerade auf dem
Vergasen der Kohle in einem Wasserdampf-und Luftstrom unter hohem Druck. Für das Verfahren der vorliegenden Erfindung muss jedoch die Kohlenwasserstoffbildung weitmöglichst vermieden werden, weil sie einen Verlust an Wasserstoff mit sich bringt und auch weil die Reinigung der Gase um so kostspieliger wird, je höher der Prozentsatz an vorhandenem Methan ist.
Es ist nun festgestellt worden, dass man die Reaktion 4 bei gleichzeitiger fast vollständiger
Vermeidung der Methanbildung erzielen kann, wenn die Kohlenvergasung bei 10-20 Atm. statt- findet, bei einer Temperatur, welche je nach der Reaktivität der Kohle zwischen 650 und d000 C schwanken kann, unter Verwendung eines starken Überschusses an Wasserdampf, u. zw. mehr als
10 Volumen Dampf für 1 Volumen Sauerstoff. Auf diese Weise ist es möglich, eine Gasmischung zu gewinnen, deren Kohlenoxydgehalt unter 2% und deren Methangehalt unter 1% liegt.
Die bei gewöhnlichem Druck arbeitenden bekannten Verfahren zur Herstellung einer für die
Ammoniaksynthese geeigneten Gasmischung können ausschliesslich nur ein Gas erzeugen, welches noch grosse Mengen Kohlenoxyd enthält und daher der eingangs beschriebenen Reinigung unterworfen werden muss. Von diesen bekannten Verfahren, die gleichfalls unter Zuführung von Sauerstoff arbeiten, unterscheidet sich das neue Verfahren dadurch, dass unmittelbar aus dem Generator ein Gas erhalten wird, welches Kohlenoxyd nur in sehr kleinen Mengen enthält und im wesentlichen nur aus Wasserstoff,
Stickstoff und Kohlendioxyd besteht.
Das vorliegende Verfahren zur Herstellung einer für die Ammoniaksynthese geeigneten Gas- mischung durch fortlaufende Vergasung der Kohle unter Druck mittels einer Dampf-Luft-Mischung kennzeichnet sich dadurch, dass man die Temperatur zwischen 650 und 800 C hält und den Dampf gegenüber dem Sauerstoff auf einen starken Überschuss regelt, wodurch ein im wesentlichen nur aus Wasserstoff, Stickstoff und Kohlendioxyd bestehendes Gas erhalten wird, welches hierauf in an sich bekannter Weise zwecks Entfernung des Kohlendioxyds und kleiner Mengen Kohlenoxyd, Methan und anderer Verunreinigungen behandelt wird. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird der Dampf-und Luftmischung in an sieh bekannter Weise eine gewisse Menge Sauerstoff hinzugefügt.
Zur Verbilligung des Verfahrens ist es notwendig, dass die fühlbare Wärme des aus dem Generator strömenden Gases sorgfältig zur Vorwärmung der Dampf-Luft-Sauerstoff-Mischung rückgewonnen wird ; und ausserdem lohnt es sich, einen Teil des im Überschuss verwendeten Dampfes rückzugewinnen, indem man die Luft-und Sauerstoffmisehung mittels des heissen Kondenswassers sättigt. Die Entfernung des im erzeugten Gas anwesenden Kohlendioxyds wird vermittels Absorbierung in Wasser unter Druck erzielt, und schliesslich wird die Wasserstoff-Stickstoff-Mischung des weiteren von den kleinen Mengen Methan und Kohlenoxyd durch Waschung mit flüssigem Stickstoff gereinigt.
Bei Anwendung dieser Methode erzielt man einen hohen Reinheitsgrad und erhält gleichzeitig als Nebenprodukt die zur Anreicherung der in den Generator einzuführenden Luft notwendige Sauerstoffmenge.
Eine beispielsweise Ausführungsform des Generators ist in der Zeichnung wiedergegeben, ohne deshalb die Erfindung auf die dargestellten Einzelheiten zu beschränken.
Die Luft-und Sauerstoffmischung wird unter einem Druck von 10-20 Atm. in den Eintritt 1 der Kolonne 2 eingeführt, in welche von oben aus dem Rohr 3 das heisse Kondenswasser herabsprüht und wo sie sich mit Wasserdampf sättigt ; beim Austritt aus der Kolonne wird sie noch mit Frischdampf aus dem Rohr 4 angereichert ; die so erhaltene Luft-Sauerstoff-Dampf-Mischung wird vorerst durch den Wärmeaustauscher J geschickt, welcher im Gegenstrom vom heissen Gase durchlaufen ist ; hierauf wird sie durch den drehbaren Rost 6 in den Ofen eingeführt.
Das hergestellte, einen starken Überschuss an Dampf enthaltende Gas wird nach Durchströmung des Wärmeaustauschers 5 in einen äusseren Mantel zwecks Vorwärmung des zur Dampferzeugung bestimmten, in der Schlange 7 befindlichen Wassers eingeführt und strömt durch 8 aus (9 und 10 stellen den Ein-und Austritt des vorzuwärmenden Wassers dar). Mittels der verwendeten Anordnung wird die Aussenwand 11 auf einer genügend niederen Temperatur erhalten, um dem inneren Druck leichter zu widerstehen. Das warme Kondenswasser wird durch die Pumpe 12 in die Sättigungskolonne eingeführt.
Die Beschickung des Generators mit Kohle wird durch einen Trichter 13 mit doppeltem Verschluss ermöglicht, während die Entfernung der Verbrennungsrückstände durch den drehbaren Rost 6 stattfindet, welcher durch die Vorrichtung 14 bewegt wird, die die Achse in den Trichter 15 mit doppeltem Verschluss entlädt. Die Reaktionstemperatur kann sowohl durch Veränderung der der Luft beigemengten Sauerstoffmenge geregelt werden als auch durch unmittelbare Zuleitung der Dampf-Luft-Sauerstoff-Mischung zum Unterteil des Generators vermittels der Umführungsleitung 16, ohne den Vorwärmer 5 zu durchströmen.
Im Falle kein billiger Sauerstoff zur Verfügung stünde, kann vorteilhaft die kleine noch nötige Wärmezuführung durch elektrische Heizung des Generators erzielt werden, da die einzublasende Luftmenge durch die Bedingung beschränkt ist, den Stickstoffgehalt der gebildeten Gase innerhalb eines gewissen Prozentsatzes zu erhalten.
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Die hauptsächlichen Vorteile des beschriebenen Verfahrens, im Vergleich zu den schon bekannten
Verfahren zur Wasserstoffgewinnung aus Wassergas, sind die folgenden :
1. Höhere Gaserzeugung pro Raumeinheit des Generators infolge des Druckes.
2. Fortlaufender Arbeitsgang des Generators.
3. Vermeidung der Umsetzungsphase des Kohlenoxyds mit Wasserdampf.
4. Vermeidung der gesonderten Stickstofferzeugung.
5. Vermeidung der kostspieligsten Phase der Komprimierung der Synthesemischung, welche schon bei einem Druck von 10-20 Atm. erhalten wird.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer für die Ammoniaksynthese geeigneten Gasmischung durch fortlaufende Vergasung der Kohle unter Druck mittels einer Dampf-Luft-Misehung, dadurch gekennzeichnet, dass man die Temperatur zwischen 650 und 800 C hält und den Dampf gegenüber dem Sauerstoff auf einen starken Überschuss regelt, wodurch ein im wesentlichen nur aus Wasserstoff, Stickstoff und Kohlendioxyd bestehendes Gas erhalten wird, welches hierauf in an sich bekannter Weise zwecks Entfernung des Kohlendioxyds und kleiner Mengen Kohlenoxyd, Methan und anderer Verunreinigungen behandelt vird.