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Verfahren zur Ausnutzung der bei der Synthese von Ammoniak auftretenden Reaktionswärme unter Verwendung einer Absorptionskälteanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausnutzung der bei der Synthese von Ammoniak auftretenden Rekationswärme unter Verwendung eines Absorptionskälteanlage, wobei das verdichtete Synthesegas durch Waschen mit einer ammoniakalischen Kupfer (l) salzlösung feingereinigt wird und das der Umsetzung unterworfene Reaktionsgas als Heizmedium für die Kältelösung der Absorptionskälteanlage dient.
Die Synthese von Ammoniak ist seit langem bekannt. Das vorgereinigte und verdichtete Synthesegas wird im allgemeinen durch Waschen mit einer ammoniakalischen Kupfer (l) salzlösung feingereinigt, um das noch im Synthesegas enthaltene Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd sowie Spuren von Sauerstoff und Schwefelwasserstoff daraus abzutrennen. Die mit diesen Gasen beladene Kupferlösung wird anschliessend auf Atmosphärendruck entspannt und mittels Wasserdampfs auf eine Temperatur zwischen 40 und 450 C erwärmt, wodurch die beim Waschen aufgenommenen Gase weitgehend ausgetrieben werden. Zu ihrer praktisch restlosen Entfernung erfolgt noch eine Entgasung bei Unterdruck oder bei Atmosphärendruck und erhöhten Temperaturen von 70 bis 800 C.
Die so entgaste Kupferlösung wird mittels Wassers und anschliessend durch Verdampfen von verflüssigtem Ammoniak gekühlt. Die gekühlte Lösung wird mittels einer Pumpe wieder auf den zum Waschen erforderlichen Druck gebracht. Das feingereinigte Synthesegas passiert einen Reaktor, in dem die noch in ihm enthaltenen Spuren von Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd katalytisch zu Methan und Wasserdampf umgesetzt werden, und wird dann dem der Umsetzung unterworfenen Reaktionsgas als sogenanntes Frischgas zugesetzt. Dieses Gasgemisch durchströmt ein Kühlsystem, in dem es zunächst mittels Wassers und anschliessend durch Verdampfung verflüssigten Ammoniaks so weit abgekühlt wird, dass sich das im Gemisch enthaltene Ammoniak kondensiert, und den ebenfalls im Gemisch enthaltenen Wasserdampf absorbiert.
Das abgekühlte Gas wird nach Wärmeaustausch mit dem bereits der Umsetzung unterworfenen Reaktionsgas bei Temperaturen von 450 bis 5500 C über einen Katalysator geleitet. Da die Ammoniakbildung ein exothermer Vorgang ist, besitzt das der Umsetzung unterworfene Reaktionsgas nach dem Wärmeaustausch mit dem umzusetzenden Synthesegas eine Temperatur von 2500 C. Die notwendige Abkühlung des Reaktionsgases erfordert hohe Kühlmittelmengen.
Es ist bereits bekannt, die in den der Umsetzung unterworfenen Reaktionsgasen enthaltene Wärme dadurch auszunutzen, dass man mit diesen Gasen Kesselspeisewasser vorwärmt. Eine derartige Ausnutzung der Reaktionswärme ist jedoch wenig wirtschaftlich, weil auf diese Weise die Wärmemengen, ohne Arbeit zu leisten, auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht werden.
Es ist ferner bekannt, die in den Reaktionsgasen enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf auszunutzen. Auf diese Weise gelingt es zwar, bis zu 1, 2 kg Dampf/l kg erzeugtes Ammoniak zu gewinnen
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und gleichzeitig eine entsprechende Kühlmittelmenge einzusparen, jedoch ist der dazu erforderliche apparative Aufwand sehr gross, insbesondere dann, wenn eine grosse spezifische Dampfmenge mit hohem Druck in überhitzter Form erzeugt werden soll. Die Kosten der hiezu erforderlichen Wärmeaustauschvorrichtungen sind infolgedessen sehr hoch.
Es ist schliesslich bekannt, die Reaktionsgase als Heizmedium für die Kältelösung einer Absorptionskälteanlage zu verwenden. Das aus der Kältelösung der Absorptionskälteanlage ausgetriebene Kältemittel wird durch Kühlung mittels Wassers verflüssigt und durch Entspannung auf einen niedrigeren Druck wieder verdampft. Die dabei freiwerdende Kälte wird zur Kühlung der Reaktionsgase verwendet. Zwar wird auf diese Weise ein bestimmter Teil der bei der Ammoniakbildung entstandenen Reaktionswärme zur Tiefkühlung der Reaktionsgase ausgenutzt, doch gehen dabei grosse Wärmemengen ungenutzt verloren. So wird die bei der Absorption des Kältemittels durch die Kältelösung auftretende Wärme ebenso wie die bei der Verflüssigung des ausgetriebenen Kältemittels auftretende Wärme an Kühlwasser abgeführt.
Die Summe dieser beiden Wärmemengen übersteigt den Betrag der Wärmemenge, die bei der Heizung der Kältelösung dem Reaktionsgas entzogen wurde. Hiedurch bedingt, ist der Kühlwasserverbrauch einer mit einer Absorptionskälteanlage in der beschriebenen Weise ausgerüsteten Ammoniaksyntheseanlage grösser als der einer Anlage, die mit einer direkten Kühlung der Reaktionsgase mittels Wassers und durch Verdampfung von mit Hilfe eines Kompressors verdichtetem und verflüssigtem Ammoniak arbeitet.
Zweck der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile zu vermeiden.
Es bestand somit die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es gelingt, die bei der Synthese von Ammoniak auftretende Reaktionswärme besser als bisher auszunutzen.
Diese Aufgabe wird unter Verwendung einer Absorptionskälteanlage dadurch gelöst, dass man die Kältelösung der Absorptionskälteanlage mittels des durch Waschen mit ammoniakalischer Kupfer (l) salzlösung unter Druck feingereinigten und der Umsetzung unterworfenen Reaktionsgases erwärmtund erfin- dungsgemäss das hiebei aus der Kältelösung ausgetriebene Kältemittel verflüssigt, das verflüssigte Kältemittel auf einen niedrigeren Druck entspannt, mit der dabei freiwerdenden Kälte praktisch restlos entga-
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für eine praktisch restlose Entgasung erforderliche Temperatur bringt.
Vorteilhaft wird das aus der Kältelösung ausgetriebene Kältemittel dadurch verflüssigt, dass man es zum Vorwärmen entspannter Kupferlösung benutzt.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens beruht darin, dass infolge der Koppelung einer Absorptionskälteanlage mit der Feinreinigungsanlage der Synthesegase nicht nur die Reaktionswärme besser als bisher ausgenutzt wird, sondern auch der Kühlwasserverbrauch niedriger liegt als bei einer ohne Ausnutzung der Reaktionswärme arbeitenden Anlage.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch dargestellt. Das verdichtete, etwa 3, 50/0 Kohlenmonoxyd und 1, 60/0 Kohlendioxyd enthaltende, für die Ammoniaksynthese bestimmte Gas wird in einem Wascher 1 mit einer ammoniakalischen Kupferkarbonatlösung gewaschen. Nach Verlassen des Waschers 1 enthält das Gas noch etwa 0, 01% Kohlenmonoxyd und 0, 010/0 Kohlendioxyd. Dieses weitgehend gereinigte Gas gelangt über einen Reaktor 2, in dem der Restgehalt an Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd bis auf Spuren katalytisch zu Methan und Wasserdampf umgesetzt wird, in den Ammoniaksynthesekreislauf. Es wird dort als sogenanntes Frischgas mit dem umlaufenden Gas vor einem Kühlsystem 3 vermischt.
Durch Berührung mit dem im Kühlsystem 3 kondensierten Ammoniak werden die von dem Gas mitgeführten und den Ammoniaksynthesekatalysator schädigenden Wasserdampfmengen absorbiert, so dass ein nunmehr wasserfreies Gasgemisch über einen Kreislaufkompressor 4 in einen Reaktor 5 gelangt. In diesem erfolgt die Ammoniakbildung aus Wasserstoff und Stickstoff. Infolge der dabei auftretenden Bildungswärme verlässt das Gas den Reaktor 5 mit einer Temperatur von 200 bis 2500 C.
In einem Austreiber 6 einer Absorptionskälteanlage gibt das Gas einen Teil seines Wärmeinhalts an ein etwa 45 Gew. -0/0 Ammoniak enthaltendes, unter einem Druck von etwa 15 kp/cm stehendes Ammoniak-Wassergemisch ab, das dadurch teilweise verdampft. Das Gas verlässt den Austreiber 6 mit einer Temperatur von 90 bis 1000 C und tritt nach Vermischung mit dem Frischgas in das Kühlsystem 3 ein.
Die im Austreiber 6 freiwerdenden Ammoniak-Wasserdämpfe werden in einer Rektifikationskolonne 7 und einem Dephlegmator 8 so weit geläutert, dass nach Verlassen des Dephlegmators 8 ein annähernd wasserfreier Ammoniakdampf vorliegt.
Die aus dem Wascher 1 austretende, mit Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd weitgehend gesättig-
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te ammoniakalische Kupferkarbonatlösung wird durch ein Reduzierventil 9 auf Atmosphärendruck entspannt und in einen Entspannungsbehälter 10 geleitet. Im Entspannungsbehälter 10 wird ein grosser Teil des von der Kupferlösung absorbierten Gases wieder frei.
Die Kupferlösung gelangt nunmehr in einen Kondensator 11, wo sie das im Austreiber 6 der Absorptionskälteanlage verdampfte und geläuterte Ammoniak kondensiert und sich dabei um etwa 80 C von 20 auf 280 C erwärmt. In einem Absorber 12 der Absorptionskälteanlage nimmt die Kupferlösung dann die dort freiwerdende Wärme auf und erwärmt sich weiter auf etwa 420 C. Mit dieser Temperatur gelangt sie in ein Entgasungssystem 13, in dem durch eine Vakuumpumpe 14 ein Druck von etwa 0, 35 kp/cm2 aufrechterhalten wird.
Nach erfolgter Entgasung wird die Kupferlösung zunächst in einem Wasserkühler 15 mit Wasser auf etwa 280 C und anschliessend in einem Verdampfer 16 durch Verdampfen des im Kondensator 11 verflüssigten Ammoniaks auf etwa 200 C abgekühlt. Eine Pumpe 17 saugt schliesslich die entgaste und gekühlte Lösung an und fördert sie auf den Druck des Waschers 1.
Die Verdampfung des Ammoniaks im Verdampfer 16 wird bei einem Druck von etwa 6 kp/cm2 vorgenommen. Das verdampfte Ammoniak gelangt unter diesem Druck in den Absorber 12, wo es von der aus dem Austreiber 6 kommenden ammoniakarmen Lösung absorbiert wird. Da der Siedepunkt dieser Lösung unter dem angewendeten Druck von 6kp/cmz bei Temperaturen über 500 C liegt, kann die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge an die aus dem Kondensator 11 kommende, bereits vorgewärmte Kupferlauge übertragen und diese dadurch auf die für die praktisch restlose Entgasung erforderliche Temperatur erwärmt werden.
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serlösung eingeschalteter Wärmetauscher 19 bewirkt eine Verringerung der aus dem Absorber 12 abzuführenden und der dem Austreiber 6 zuzuführenden Wärmemenge.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Ausnutzung der bei der Synthese von Ammoniak auftretenden Reaktionswärme unter Verwendung einer Absorptionskälteanlage, wobei das verdichtete Synthesegas durch Waschen mit einer ammoniakaUschenKupfer (l) salzlösung feingereinigt wird und das der Umsetzung unterworfene Reaktionsgas als Heizmedium für die Kältelösung der Absorptionskälteanlage dient, dadurch gekennzeichnet, dass man das aus der Kältelösung ausgetriebene Kältemittel verflüssigt, das verflüssigte Kältemittel auf einen niedrigeren Druck entspannt, mit der dabei freiwerdenden Kälte praktisch restlos entgaste und vorgekühlte Kupferlösung auf Waschtemperatur abkühlt,
das vergaste Kältemittel in der Kältelösung absorbiert und mit der dabei freiwerdenden Wärme vorgewärmte und entspannte Kupferlösung auf die für eine praktisch restlose Entgasung erforderliche Temperatur bringt.