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Einrichtung zur Verarbeitung der nitrosen Gase der Ammonialiverbrennung zu Salpetersäure.
Es besteht schon lange das Bestreben, die grosse Ausdehnung und die hohen Kosten der Absorptionsanlagen, in welchen die mit inerten Gasen vermengten nitrosen Gase der Ammoniakverbrennung zu Salpetersäure verarbeitet werden, herabzusetzen.
Der Bildung der Salpetersäure aus NO, und BO liegen bekanntlich nachstehende, im folgenden kurz als Absorption bzw. Oxydation bezeichnete Reaktionen zugrunde :
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Die Oxydation des sich im Laufe der Absorption bildenden NO findet zwischen zwei Absorptionsstufen in der Gasphase statt, nötigenfalls unter Zuführung von Luft (Sauerstoff). Die Oxydation nach Gleichung 2 verläuft bekanntlich ziemlich langsam und wird sowohl infolge der starken Verdünnung der Reaktionsteilnehmer durch die inerten Gase als auch durch die eintretende Temperaturerhöhung stark verzögert. Hiedurch wird selbstredend auch die Geschwindigkeit der HNO-Bildung in Mitleidenschaft gezogen. Die beträchtlichen Wärmemengen, welche die Reaktionen gemäss den Gleichungen 1 und 2 liefern, müssen demnach entzogen werden.
Die Wärme aus der flüssigen Phase, d. h. der Absorption, kann verhältnismässig leicht abgeleitet werden. Anders liegt die Sache bei der Gasphase, d. h. der Oxydation, wo grosse Gasmengen und sehr ausgedehnte Gasräume vorhanden sind, um dem NO eine genügend lange Verweilzeit für seine Oxydation zu NO, zu sichern.
Um die Nachteile der ausgedehnten Absorptionsanlagen zu vermeiden, wurde es bereits vorgeschlagen, die Absorption unter Druck, bei etwa 3-5 atom, durchzuführen. Trotz der Notwendigkeit der Anschaffung teurer Kompressoren und einer druckfesten Apparatur wurden die Anlagekosten durch Einführung der Druckabsorption wesentlich herabgesetzt.
Für die Druckabsorption wurden bisher nachstehende Einrichtungen vorgeschlagen :
1. Hohe Absorptionstürme von grossem Durchmesser und entsprechender Wandstärke mit Raschigringfüllung. Die Zuführung des Gasgemisches erfolgt von unten, die der Absorptionsflüssigkeit (Wasser bzw. verdünnte Salpetersäure) von oben her. Die den Turm unten verlassende Absorptionsflüssigkeit wird mit Hilfe von Pumpen im Kreislaufe von oben her so lange wieder in den Absorptionsturm zurückgeleitet, bis sie den gewünschten bzw. erzielbaren Konzentrationsgrad erreicht hat. Die zirkulierende Absorptionsflüssigkeit nimmt im Turme die Reaktionswärme in unmittelbarer Berührung an ; diese angenommene Wärme wird der Absorptionsflüssigkeit durch einen in den Kreislauf ausserhalb des Turmes eingeschalteten Röhrenkühler mittelbar entzogen.
2. Man führt die Absorption in einem System von gestaffelt angeordneten, starkwandigen, liegenden Zylindern von verhältnismässig grossem Durchmesser aus. Die aus dem Oxydationsturm kommenden, auf etwa 20-30 C gekühlten Gase treten in den untersten Zylinder durch ein an dessen Boden horizontal verlaufendes, entlang seiner Oberseite gelochtes Gaseinführungsrohr ein. Ähnlich wird das Gas aus dem Gasraum des einen Zylinders in den nächstfolgenden übergeführt. Die Absorptionsflüssigkeit (Wasser bzw. verdünnte Salpetersäure) wird dem obersten Zylinder zugeführt und durchläuft die gestaffelten Zylinder der Reihe nach. Die Gaszuleitungsrohre in den einzelnen Zylindern werden hiebei durch den Flüssigkeitsspiegel verdeckt.
Die durch die gelochten Rohre mit grosser Geschwindigkeit austretenden Gasblasen schleudern die Flüssigkeit in Tröpfchen gegen die Zylinderwandungen, wo sie dann abfliesst. Die liegenden Zylinder werden von aussen durch Wasserberieselung gekühlt. Umlaufpumpe, Raschigringe und besondere Kühler entfallen zwar hiebei, der Kontakt
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zwischen'Gas und Flüssigkeit ist jedoch unvollkommen, auch die Kühlung der zwangläufig grossen Gasräume ist von aussen nicht hinreichend, um die gerade hier freiwerdende Oxydationswärme, insbesondere aus den mittleren Regionen, wirksam zu entziehen. Schliesslich ist der Platzbedarf dieser Einrichtung noch immer sehr gross.
3. Es wurden schliesslich Absorptionskolonnen von der Bauart der Rektifikationskolonnen verwendet. Die abwärtsfliessende, sich an den einzelnen Böden vorübergehend ansammelnde Absorptionsflüssigkeit wird auf jeder Stufe durch Kühlrohre gekühlt. Die üblichen Glockenelemente u. dgl. sichern zwar einen guten Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit, die Kühlung der Gasräume bzw. der zwischen den einzelnen Stufen vorübergehend verweilenden Gase aber ist auch hier wenig befriedigend.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Druekabsprption führt zu einer weiteren erheblichen Herabsetzung sowohl der Kosten als auch des Platzbedarfes der Anlage und ermöglicht gleichzeitig eine recht wirksame Kühlung auch der Gasräume. Die Ersparnisse an Anlagekosten belaufen sich auf etwa ein Drittel der Kosten der unter 2 besprochenen Anlage ; der Platzbedarf der erfindungsgemässen Anlage beträgt nur etwa ein Fünftel des bisherigen.
Die Einrichtung gemäss der Erfindung besteht im wesentlichen aus übereinander angeordneten Rohren von verhältnismässig kleinem Durchmesser, wobei durch richtige Wahl des Durchmessers der einzelnen als Reaktionsräume dienenden Rohrelemente das Verhältnis zwischen ihrem Rauminhalt und ihrer Oberfläche derart festgesetzt bzw. die als Kühlfläche dienende Oberfläche im Vergleich zum Rauminhalt derart vergrössert wird, dass durch Aussenkühlung mittels Wasserberieselung nicht nur die die einzelnen Rohrelemente nacheinander durchlaufende Absorptionsflüssigkeit, sondern insbesondere auch die in denselben vorübergehend verweilenden Gase, unter rascher Entziehung der Oxydationswärme, sehr wirksam gekühlt werden.
Dank dem verhältnismässig kleinen Durchmesser der Rohrelemente gemäss der Erfindung können allenfalls auch Rohre von normaler Wandstärke, ja sogar fertige, handelsüblich dimensionierte Rohre zur Verwendung gelangen, die durch ihre sich aus rein technologischen Gründen-ergebende Wandstärke bereits die notwendige Druckfestigkeit besitzen. Aus Grossversuchen, welche in einer erfindungsgemässen Einrichtung mit Rohrelementen von 320 mm Durchmesser durchgeführt''wurden, ergab es sich, dass infolge der ermöglichten wirksamen und sich rasch auswirkenden Abkühlung der Gasräume die Verweilzeit der Gase in der Anlage stark verkürzt werden konnte, trotzdem die Ausbeute an HN03 99% und mehr betrug.
Es erwies sich als zweckmässig, das Verhältnis zwischen gekühlter Oberfläche und eingeschlossenem Rauminhalt grösser als 5 mym, vorteilhaft zu 12-14 m2/m3 festzusetzen, wobei Rohre von einem Durchmesser zwischen 100 und 900 mm zur Anwendung gelangen. Erfindungsgemäss soll man über 1000 mm Rohrdurchmesser keinesfalls hinausgehen. Die Wandstärke beträgt je nach dem Durchmesser und den jeweils angewendeten Drucken im allgemeinen zwischen 1 und 10 mm. Die N02haltigen Gase werden in die Anlage, je nach der Abkühlung vor der Absorption, mit einer Temperatur zwischen 10 und 200 C eingeführt. Zur Kühlung der Rohrelemente wird normales Kühlwasser verwendet, d. h. Kühlwasser mit einer Temperatur zwischen 10 und 250 C.
Als Baumaterial für die Rohre dienen säurefeste Edelstähle, wie V2A extra Krupp, Avesta
832 MV, Staybrite F. D. P. u. dgl.
In den einzelnen, miteinander durch Gas-und Flüssigkeitsleitungen verbundenen Rohrelementen sind längsgerichtete Gaszuführungsrohre unterhalb des Flüssigkeitsspiegels, zweckmässig mit nach unten gerichteten Gasaustrittsöffnungen angeordnet, wodurch die Berührung zwischen den austretenden
Gasbläschen und der Flüssigkeit auf einem die Absorption begünstigenden längeren Wege stattfindet.
Die Absorptionsanlage kann auch so ausgebildet werden, dass zwei oder auch mehrere Gruppen übereinanderliegender Rohrelemente an eine gemeinsame Gasleitung parallel geschaltet werden, wobei entweder allen Gruppen frische Absorptionsflüssigkeit zugeführt, oder aber die abfliessende Säure der einen Gruppe der zweiten Gruppe aufgegeben wird.
Bei Versuchen mit einer in den Fig. 3 und 4 der Zeichnung beispielsweise dargestellten Einrichtung hat es sich ferner gezeigt, dass die den bisherigen Absorptionsvorrichtungen stets vorgeschalteten besonderen Kühl- und Oxydationsvorrichtungen grösstenteils in Fortfall kommen können, da die aus den erfindungsgemässen Rohrelementen von kleinem Durchmesser bestehende Einrichtung durch Wasserberieselung von aussen her so wirksam gekühlt werden kann, dass die Gase der Ammoniak- verbrennung, nach Abgabe ihrer für die üblichen Zwecke ausnutzbaren Wärme, der Absorptions- vorrichtung unmittelbar zugeführt werden können.
Die Zeichnung stellt zwei beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemässen Ein- richtung dar, u. zw. zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht der einen Ausführungsform (teilweise im Schnitt), Fig. 2 eine Vorder- ansicht derselben Ausführung (ebenfalls teilweise im Schnitt), während die Fig. 3 und 4 Ansichten bzw. Schnitte der andern Ausführungsform sind.
Die Gase treten durch Leitung 1 (Fig. 1 und 2) in das längsgerichtete Gaseinleitungsrohr 3 des untersten Absorptionselementes 2 ein. Das Rohr 3 ist unten seiner Länge nach aufgeschlitzt. Die durch diesen Längsspalt in die Flüssigkeit eintretenden und darin aufsteigenden Gase strömen, nach Durch-
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streichen des Gasraumes oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, durch das Verbindungsrohr 4 in das Gaseinführungsrohr 6 des über dem Element 2 angeordneten Absorptionselementes 5 usf.
Die Absorptionsflüssigkeit (Wasser oder verdünnte Salpetersäure) wird durch Rohr 7 in das oberste Rohrelement eingeleitet und gelangt, nach Durchströmung des Elementes, durch das am unteren Ende mit einem Flüssigkeitsverschluss versehene Rohr 8 in das nächstuntere Element usf. Die konzentrierte Säure verlässt die Absorptionsvorrichtung durch das vom untersten Element in das Sammelgefäss 10 führende Rohr 9.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4 sind zwei Gruppen übereinanderliegender Rohrelemente an das Gaszuleitungsrohr 13 parallel angeschlossen. Die Gase treten nach Abgabe ihrer z. B. für Dampferzeugung ausnutzbaren Wärme, ohne weitere Vorkühlung, durch das Rohr 13 in die mittleren Elemente 12, 12 a ein. Nach Durchströmung einiger mittleren Elemente gelangen sie durch die Rohre 14 bzw. 14 a in die untersten Elemente 15, 15 a, d. h. in diejenigen mit höchstkonzentrierter Säure. Nach Durchstreichen der unteren Rohrelemente strömen die Gase dann durch das Rohr 16 und 16 a den oberen Elementen zu.
Die Absorptionsflüssigkeit wird in die obersten Elemente der an das Rohr 17 parallel angeschlossenen beiden Rohrgruppen eingeführt, die konzentrierte Säure wird aus den untersten Elementen 15 und 15 a der beiden Gruppen durch das Rohr 18 in das Sammelgefäss geleitet.
Gemäss den gezeichneten Ausführungsformen berieselt das mittels Rohren 11 und 11 a verteilte Kühlwasser nacheinander die Aussenwände der unter einander angeordneten Rohrelemente. Bei der
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durch welche die mittleren Elemente mit frischem Kühlwasser berieselt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Verarbeitung der nitrosen Gase der Ammoniakverbrennung zu Salpetersäure durch Absorption mit Wasser unter Überdruck in einer Reihe von miteinander verbundenen, in der einen Richtung von der Absorptionsflüssigkeit, in der andern von den Gasen nacheinander durchstrichenen, von aussen gekühlten Reaktionsräumen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsräume aus Rohrelementen mit verhältnismässig kleinem Durchmesser bestehen, welche übereinanderliegend angeordnet sind, wobei deren Durchmesser, zwecks wirksamer, nach Massgabe ihrer Entstehung erfolgender Abführung der Absorptions-und Oxydationswärme durch die äussere Kühlung, durch eine Verhältniszahl zwischen gekühlter Wandfläche und eingeschmolzenem Rauminhalt bestimmt ist, welche zumindest 5 m2/m3,
vorteilhaft 12-14 tM2/m3 beträgt.