<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Abtrennung von Ammoniak
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung des Ammoniaks von den Gasen, welche aus Anlagen zur Ammoniaksynthese aus Wasserstoff und Stickstoff austreten. Die immer grösserwerdende Nachfrage nach synthetischem Ammoniak für Industrie und Landwirtschaft bringt die Verwirklichung von Produktionsanlagen mit immer grösseren Leistungen mit sich.
EMI1.1
600 kg/cm2), wobei es erforderlich ist, dass die verschiedenen Anlageteile (wie Reaktor, Austauscher usw. ) sowie die zur Verdichtung der Synthesemischung verwendeten Kolbenverdichter nach besonderen technologischen Gesichtspunkten hergestellt werden.
Die mit diesen Kolbenverdichtern erzielbare Leistungsfähigkeit stellt eine der einschränkendsten Grenzen für die Verwirklichung grosser Produktionseinheiten dar, denen sich die moderne Technik immer mehr zuwendet, da man mehrere Verdichter im Parallelbetrieb anwenden muss, um die erforderli- chen Fördermengen zur Verfügung haben zu können, was eine sehr bedeutende Bürde für die Anlagekosten darstellt.
Die in solchen Anlagen grosser Leistungsfähigkeit zur Tageserzeugung von 800 bis 2000 t Ammoniak erforderliche Fördermenge macht die Anwendung von Fliehkraftverdichtern notwendig, welche derartige Fördermengen ermöglichen. Die derzeit mit Fliehkraftverdichtern erhältlichen Drücke erreichen ungefähr 200 kg/cm2 und deshalb werden zur Zeit jene Syntheseeinheiten mit besonderer Aufmerksamkeit geprüft, die bei Drücken dieser Grössenordnung arbeiten. Die technologischen Probleme der Niederdrucksyntheseanlagen sind bedeutend einfacher und die Gesamtinstallationskosten sind geringer.
Ein Problem, welches jedoch bei diesen Anlagen auftritt, ist jenes der Abtrennung des bei niedrigem Druck erzeugten Ammoniaks vom nicht umgesetzten Wasserstoff und Stickstoff. Bei den herkömmlichen Hochdruckverfahren wird das Ammoniak durch Abkühlung auf Temperaturen zwischen-15 und +30 C, je nach dem angewandten Druck, abgetrennt, wobei man in den Nachlaufgasen einen Ammoniakgehalt von 2 bis 50/0 erzielt.
In Niederdruckkreisen wären weitaus niedrigere Temperaturen erforderlich, so dass man teuere und komplizierte Kälteerzeugungskreise benötigen würde, die es gestatten müssten, die Mischung der Umsetzungsprodukte auf etwa - 300e abzukühlen, um in den Nachlaufgasen Ammoniakgehalte von 2 bis 5% zu erzielen.
Zufolge der geringeren Umwandlung je Durchlauf in den Niederdruckanlagen im Vergleich zu den Hochdruckanlagen ist es notwendig, möglichst viel Ammoniak abzutrennen, um die je abgeführte Ammoniakeinheit rückzuführende Gasmenge herabzusetzen.
Das in diesen Niederdrucksyntheseanlagen erhaltene Reaktionsprodukt besitzt nämlich normalerweise einen Ammoniakgehalt von 9 bis 12 Gew. -0/0. Der Partialdruck des Ammoniaks ist somit be-
<Desc/Clms Page number 2>
trächtlich niedrig und die gesamte Kondensationswärme des Ammoniaks müsste daher mittels der Kälteanlage abgeführt werden, da die durch Wasserkühlung erreichbare Temperatur nicht die Kondensation des Ammoniaks bei derart niedrigen Partialdrücke gestattet.
Unter diesen Umständen hätte also die Niederdruckanlage, bei der die Ammoniakrückgewinnung mit Hilfe eines Kältekreises durchgeführt wird, noch zu grosse Bau- und Betriebskosten.
In den ersten Syntheseanlagen wird mit niedrigen Drücken gearbeitet, da die technologischen Probleme, um das Gebiet der hohen Drücke zugänglich zu machen, noch nicht gelöst waren. Bei diesen Verfahren wurde die Abtrennung des in den Reaktionsprodukten enthaltenen Ammoniaks durch Waschen mit Wasser durchgeführt, wobei man in den Nachlaufgasen einen vernachlässigbar geringen Ammoniakgehalt erreichte.
Dieses Verfahren hatte jedoch den schwerwiegenden Nachteil, dass in den rückzuführenden Nachlaufgasen eine Feuchtigkeitsmenge verblieb, die-in kürzester Zeit den Katalysator vergiftete. Die Anordnung von Trockenanlagen für die rückzuführenden Gase brachte anderseits erhebliche technische Probleme mit sich und eröffnete neue Kosten sowohl für den Bau als auch für den Betrieb der Anlage.
Die Erfindung hat ein Verfahren zur Abtrennung des in Mittel-und Niederdruckanlagen erzeugten Ammoniaks zum Gegenstand, welches nicht die Anwendung von erheblichen Kälteanlagen benötigt.
Mit andern Worten gestattet es das Verfahren nach der Erfindung. die Synthese bei niedrigem Druck und mit grossen Leistungen ohne Verwendung grosser Kälteerzeugungseinheiten durchzuführen, wodurch dem bekannten Stand der Technik gegenüber eine grosse Wirtschaftlichkeit erzielt wird.
Ein Zweck der Erfindung besteht in der Abtrennung des erzeugten Ammoniaks durch Waschen mit absorbierenden wässerigen Lösungen nach einem Verfahren, welches die Erzeugung eines, aus Wasserstoff und Stickstoff gebildeten Rückführstromes mit einem praktischen nicht vorhandenen Wassergehalt und mit einem vernachlässigbar kleinen Ammoniakgehalt gestattet.
Es wurde gefunden, dass das Verfahren zur Abtrennung des Ammoniaks viel einfacher und wirtschaftlicher wird, wenn die Abtrennung durch Absorption in zwei Stufen mit wässerigen Ammoniaklösungen von verschiedenem Absorptionsvermögen und durch darauffolgende Kondensation des in den zurückzuführenden Gasen noch vorhandenen Ammoniaks und Wassers durchgeführt wird.
In der ersten Stufe wird der Grossteil des erzeugten Ammoniaks mit Hilfe einer 15 bis 40 Grew.-% Ammoniak enthaltenden Absorptionslösung absorbiert. In der zweiten Stufe wird die Absorption mittels einer schwach ammoniakalischen Lösung, die einen Ammoniakgehalt von 1 bis 10 Gew. -0/0 besitzt, vervollständigt.
Die vom Kopf der Absorptionsanlage abgeführten Gase weisen einen sehr niedrigen Gesamtgehalt
EMI2.1
diese Gehalte negative Auswirkungen auf die Synthese haben könnten und insbesondere die Gegenwart von Wasser in derartigen Proportionen für den Katalysator noch sehr schädlich wäre, wird der Wassergehalt weiter herabgesetzt. Das Gasgemisch muss daher in einer Kälteanlage von bescheidenen Ausmassen gekühlt werden, da es im wesentlichen nur erforderlich ist, die fühlbare Wärme der Gase abzuführen.
Bringt man nämlich das Gasgemisch auf Temperaturen von-20 bis-30 C, dann erreicht man die von. ständige Entfernung des Wassers in Form einer ammoniakalischen Lösung, welche 25 bis 50 Gew.-% NH 3 enthält.
Die Gase enthalten noch vernachlässigbar geringe Ammoniakmengen (gleich oder weniger als 0, 2 Gew.-'%) und werden in die Synthese zurückgeführt.
Die aus der Absorptionsanlage erhaltene Ammoniaklösung, welche 40 bis 75 Gew. -%Ammoniak enthält, wird bei Drücken von 15 bis 30 kg/cm2 destilliert und rektifiziert, wobei folgende Fraktionen erhalten werden :
1. praktisch wasserfreies flüssiges Ammoniak,
2. eine Ammoniaklösung mit 15 bis 40 Grew.-% Ammoniakgehalt,
3. eine schwach ammoniakalische Lösung mit 1 bis 10 Gew.-% Ammoniakgehalt.
Die Durchführung des Verfahrens wird nachfolgend beispielsweise unter Bezugnahme auf die Figur der Zeichnung, welche schematisch eine Anlage zur Ammoniaksyntheseveranschaulicht, näher erläutert, wobei es sich jedoch versteht, dass die Erfindung nicht auf dieses Durchführungsbeispiel beschränkt ist und dass noch zahlreiche Varianten möglich sind.
In ein Reaktionsgefäss-l-werden durch die Leitung -2-- die frischen Gase zur Synthese und durch die Leitung-3-die Rückfuhrgase eingeleitet.
Das Gemisch der Reaktionsprodukte wird durch eine Leitung4-- in die aus zwei Abschnitten-6 und 7-bestehende Absorptionsanlage-5-eingeleitet. In den ersten Abschnitt --6- wird durch die
<Desc/Clms Page number 3>
Leitung --8-- eine Absorptionslösung mit einem Ammoniakgehalt von 15 bis 40 Gew.-% eingelassen, während in den zweiten Abschnitt --7-- durch die Leitung -9-- eine unterschiedliche Absorptionslösung, deren Ammoniakgehalt 1 bis 10 Gew.-% beträgt, eingeleitet wird.
Aus der unter dem Synthesedruck von 130 bis 200 kg/cm2 oder mehr und unter einer Temperatur von 0 bis 1000C arbeitenden bsorptionsanlage -5- wird das Vorlaufgas, bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff mit einem Gesamtgehalt an Ammoniak und Wasser von 0, 2 bis 1 Gew.-%, oben durch eine
EMI3.1
Teiles der aus der Anlage --5-- kommenden Lösung, in dem dieselbe bis auf einen Restgehalt an Ammoniak von 15 bis 40 Gel.-% destilliert und schliesslich durch die Leitung --22-- abgelassen wird.Die Wärme wird der Kolonne--21-- durch eine mit Niederdruckdampf gespeiste Heizschlange --23-- ge- liefert.
EMI3.2
-21-- wird- 21-- fliesst durch eine Öffnung --26-- in eine Kolonne --27--, in welcher dieser Teil des Nachlaufproduktes bis auf einenRestgehalt an Ammoniak von 1 bis 10 Gew.-% destilliert wird. Die frei werdende Dampfphase steigt in der Kolonne wieder hoch und tritt durch die Öffnung -26-- in die Kolonne - ein.
Der Kolonne --27-- wird die Wärme mittels eines, mit Mitteldruckdampf gespeistenWär- meaustauschers-28-zugeführt. Die schwach ammoniakalische Lösung wird aus der Kolonne-27unten durch eine Leityung --29-- abgefsshrt und gelangt über einen Kühler--20-- und eine Pumpe--31-durch die Leitung --9-- oben in den zweiten Abschnitt --7-- der Absorptionsanlage --5--,
EMI3.3
wird durch die Leitung --22--, den Wärmeaustauscher-19-, die Leitung --17-- einem Wärmeaus- tauscher-32-zugeführt, dort gekühlt und in der Energierückgewinnungssanlage --16-- wieder verdichtet, wonach sie in den ersten Abschnitt --6-- der Absorptionsanlage --5-- durch die Leitung-8eingeführt wird.
Das Verfahren nach der Erfindung bringt bedeutende Vorteile technischer und wirtschaftlicher Natur mit sich.
Man erzielt in der Tat die vollständige Abtrennung des Ammoniaks von der Mischung der Syntheseprodukte. Auf diese Weise wird bei vergleichsweise gleicher Menge erzeugten Ammoniaks die Menge der rückgeführten Gase sehr erheblich herabgesetzt, so dass die Abmessungen der Hauptapparateteile der Anlage verkleinert werden können.
Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht in der Möglichkeit der Verwendung von Wärme niedriger Temperatur und somit einer niederwertigen Energieform an Stelle der beträchtlichen Antriebskraftmengen, die bisher für den Betrieb der Kälteerzeugungsanlagen benötigt wurden.
Die Anwendung einfacher, leicht betreibbarer und nicht teuerer Apparate, wie Absorptions- und Destillationskolonnen, an Stelle der grossen und teueren Kälteerzeugungsanlagen gestattet es, die Anlage-und Betriebskosten stark herabzusetzen.
Die bei dem Verfahren nach der Erfindung benötigte Kälteerzeugungsanlage besitzt eine Leistugsfähigkeit in der Grössenordnung von 10 bis 15% derjenigen, welche für die Kälteerzeugungsanlagen bei den bisher bekannten Verfahren erforderlich war.
Die eizielten Vorteile sind im wesentlichen auf den wesentlichen Ersatz der Kondensation mittels Kühlung durch die Kondensation mittels Absorption zurückzuführen, welche es gestattet, die Konden-
<Desc/Clms Page number 4>
sationswärme bei einer höheren Temperatur zu entfernen. Ausserdem gestattet es das Absorptionsverfahren, den Ammoniakgehalt der Nachlaufgase auf Werte herabzusetzen, die mit dem Kühlverfahren praktisch unerreichbar sind.
PATENTANSPRÜCHE :
EMI4.1
Wasserstoff und Stickstoff, wobei das aus dem Synthesereaktor austretende Gemisch der Reaktionsprodukte einer selektiven Absorption unterworfen wird, um das Ammoniak abzutrennen, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Absorption in zwei Stufen der Reihe nach mit Hilfe von wässerigen Ammoniaklö - sungen mit unterschiedlichem Absorptionsvermögen durchgeführt wird, wobei in der 1. Stufe Lösungen, die 15 bis 40 Gew.- NHg, und in der 2. Stufe solche, die 1 bis 10 Gew. -U ; o NH3 enthalten, eingesetzt werden und dass die durch das Absorptionssystem abgetrennten Gase von dem noch in ihnen enthaltenen Wasser und Ammoniak mittels Kondensation befreit werden.
2. Verfahren nachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption bei dem gleichen Druck wie die Synthese durchgeführt wird.