Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff aus elektrolytisch entwickeltem Iinallgas. Bei dem bisher üblichen Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser besteht die Hauptschwierigkeit darin, eine möglichst vollkommene Scheidung beider Gase zu be wirken und ein sehr grosser Teil der Kosten für die Apparatur wird durch die Notwen digkeit solcher Vorrichtungen bedingt.
Diese haben den weiteren Nachteil zur Folge, da.ss in die Apparatur Widerstände hineingebracht werden, zu deren Überwindung ein Teil der elektrischen Energie erforderlich ist. Die Herstellungskosten für Elektrolyseuranlagen würden sich sehr erheblich verringern und die Energieausnützung verbessern, wenn die beiden Gase ohne Trennvorrichtung gemein sam entwickelt werden könnten.
Es würde daher einen wesentlichen Fortschritt bedeu ten, wenn es gelänge, das elektrolytisch ent wickelte Knallgas mit der nötigen Betriebs sicherheit und ohne grosse Kosten in die Be standteile zu zerlegen. Es ist bereits vorge schlagen worden, Knallgas elektrolytisch un- ter hohem Druck zu entwickeln und den Sauerstoff durch die bei der Entspannung des Knallgases auftretende Temperaturer niedrigung flüssig abzuscheiden.
Wegen der Schwierigkeiten beim Arbeiten mit dem Gas gemisch in einer Expansionsmaschine, vor allem aber der Gefahren, die das Arbeiten mit Knallgas unter hohem Druck mit sich bringt, konnte dieses Verfahren keine prak tische Anwendung finden.
Das vorliegende Verfahren versucht diese Schwierigkeiten dadurch zu vermeiden, dass das Knallgas in elektrolytischen Apparaten unter Ausschluss von Trennvorrichtungen er zeugt, unter einem Überdruck von 1 bis <B>10</B> Atmosphären getrocknet und unter Auf rechterhaltung dieses Druckes mittelst sie dendem,
flüssigen Stickstoffes bis zur Ver flüssigung des Sauerstoffes @ in Konden sationsapparaten tiefgekühlt wird. Der für die Durchführung des Verfahrens erforder liche Überdruck kann durch die Elektrolyse selbst oder aber durch einen Kompressor er- zeugt werden. Ein wesentlicher Vorzug des Verfahrens liegt in der Möglichkeit, dass die Teile der Apparatur, in denen Knallgas vor handen ist, sieh auf ein kleines Volumen re duzieren und so kräftig ausführen lassen, dass der im Falle einer Explosion auftretende Überdruck von diesen Apparatteilen schadlos ertragen werden kann.
Der elektrolytische Wasserzersetzungsapparat wird vorteilhaft als sogenannter Filterpressenapparat ausge führt, bei dem sich leicht grössere Gasan sammlungen dadurch vermeiden lassen, dass der Inhalt des Apparates mit dem alka lischen Elektrolyten möglichst angefüllt gehalten wird. Die Notwendigkeit, flüssigen Stickstoff getrennt erzeugen zu müssen, kann nicht als Nachteil angesehen werden, weil die hierfür erforderliche Energie wenigei wie 5% der zur elektrolytischen Wasserzer setzung derzeit aufgewendeten beträgt.
Das Verfahren ist besonders dann von Vorteil, wenn der bei der Elektrolyse gewonnene 'Wasserstoff für die Ammoniaksynthese ver zvendet wird, wobei sowieso eine besondere Anlage zur Gewinnung von Stickstoff her zustellen ist; ein Teil des für die Ammo- niaksynthese erforderlichen Stickstoffes wird dann zweckmässig für die Kondensation des Sauerstoffes verwendet. Der Mehraufwand an Energie, der durch die Knallgastrennung verursacht wird, sinkt dann unter 3 % der derzeit für die Elektrolyse benötigten.
Die Durchführung des Verfahrens ge staltet sich beispielsweise folgendermassen: In einem Elektrolyseur 1 wird Knallgas unter einem Überdruck von etwa 2 Atmo sphären. entwickelt, auf Kühlwassertempera tur gekühlt, in dem Trockenrohr 2 oder auch durch weitere Kühlung getrocknet und in den Gegenstromkühler 4 bei 3 eingeführt. Der Sauerstoff scheidet sich in dem Konden sator 5 ab, der durch unter vermindertem Druck. siedenden Stickstoff gekühlt wird. Der gasförmig verbliebene Wasserstoff ver lässt den Kondensator durch das Rohr 6 und tritt in den Gegenstromkühler ein.
Der flüs sige Stickstoff wird einem Luftzerlegungs- apparat entnommen und tritt durch das Re- gulierventil ? in das Kühlgefäss 8 ein. Mit- telst einer an das Rohr 9 angeschlossenen Vakuumpumpe wird eventuell unter Zwi schenschaltung eines Wärmeaustauschers für den abziehenden Stickstoff der Druck über dem siedenden Stickstoff und damit seine Siedetemperatur soweit erniedrigt, dass eine genügende Abscheidung des Sauerstof fes und damit die wünschenswerte Reinheit des Wasserstoffes erreicht wird.
Der aus der Vakuumpumpe austretende Stickstoff kann für die AmmonialLsynthese weiter verwendet werden. Der Wasserstoff kann unter dem Druck des Elektrolyseurs ohne Entspannung aus dem Trennungsapparat entnommen wer den; hierdurch erspart man einen wesent lichen Teil der für die übliche Kompression des Wasserstoffes erforderlichen Arbeit. Der Sauerstoff kann unter Druck aus dem Tren nungsapparat entnommen werden.
Wendet man zur Erzielung des für das Verfahren benötigten Überdruckes einen Kompressor an, so schaltet man denselben zweckmässig vor die Trocknungsanlage. Ro tierende Pumpen mit hoher Umdrehungszahl sind besonders geeignet, weil in diesen der Gasraum verhältnismässig klein ist und der selbe ausserdem unterteilt ist, infolgedessen die Entstehung gefährlicher Stösse im Falle von Explosionen verhindert wird. Vorzugs weise geeignet sind Wasserringpumpen. Diese ermöglichen auch in einfacher Weise durch Zirkulation des umlaufenden Wassers durch eine Kühlvorrichtung, die Kühlung der war men Gase und die Niederschlagung des in ih nen enthaltenen Wasserdampfes.
Es lassen sich aber auch Turbogebläse oder andere Förderungseinrichtungen mit ähnlichen Ei genschaften verwenden.
Alle Apparatemeile werden zweckmässig so dimensioniert, dass der Druck einer even tuellen Knallgasexplosion von ihnen schad los ertragen wird. Die Möglichkeit einer Ex plosion ist in den Teilen, die getrocknetes Knallgas enthalten, wesentlich herabgesetzt, infolge des Umstandes, dass die Entzündungs temperatur des trockenen Knallgases weit höher liegt als die des feuchten Gases. Besonders einfach und wirtschaftlich ge staltet sich das Verfahren, wenn der gewon nene Wasserstoff zur Ammoniaksynthese verwendet werden soll.
Man kann dann die Vakuumpumpe dadurch entbehrlich machen, dass man den aus dem Knallgas . ausgeschie denen Wasserstoff in direkte Berührung mit dem flüssigen Stickstoff bringt und gemein sam mit dem verdampften Stickstoff aus treten lässt. Man erreicht hierdurch, dass der Partialdruck des Stickstoffes auf einen Bruchteil des Gesamtdruckes, nämlich bei einem Verhältnis von ss H= : N, auf 25.% herabgesetzt wird und die Temperatur des siedenden Stickstoffes diesem Druck entspre chend sinkt.
Weiterhin werden in dem kalten und praktisch sauerstoffreien Stickstoff die letzten noch in dem Wasserstoff enthalte nen Reste des Sauerstoffes aufgenommen; dadurch kommt die sonst notwendige Nach reinigungsanlage zur Entfernung des Sauer stoffes aus dem Wasserstoff in Fortfall, wo durch wesentliche Anlage- und Betriebs kosten eingespart werden. Auf diese Art wird ein Wasserstoff-Stickstoffgemisch er halten.
Eine andere Reinigungsmethode des Wasserstoffes wird beispielsweise derart aus führt, da.ss der nach Entspannung in einer Rektifikationssäule aufsteigende, noch sauer stoffhaltige Wasserstoff in direkte Berüh rung gebracht wird mit entgegenrieseludem, praktisch sauerstoffreien flüssigen Stick stoff, wobei praktisch die gesamte Sauer stoffmenge von der Flüssigkeit aufgenommen wird. Dem Wasserstoff mischt sich bei die ser Operation ein gewisser regelbarer Teil Stickstoff als Dampf bei, so. dass aus dem Kopf der Säule ein Wasserstoff-Stickstoff- gemisch erhalten wird.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens, bei dem ein solches Gemisch gewonnen wird, liegt darin, dass das unter Atmosphärendruck entweichende Wasserstoff-Stickstoffgemisch eine weit bessere Kälteausnützung ermög licht, als der aus dem Kühlgefäss unter ver mindertem Druck abströmende Stickstoff, dessen Strömungsgeschwindigkeit mit Rück- sieht auf den Druckverlust gering gewählt werden muss, wobei die Wärmeübergangszahl sehr klein wird.
Der Sauerstoff kann auch bei dieser Ab art des Verfahrens unter Druck dem Tren nungsapparat entnommen werden. Es ver steht sich von selbst, dass sowohl bei dieser wie bei der vorher beschriebenen Anordnung zwecks weitgehender Wiedergewinnung der in den abziehenden Gasen enthaltenen Kälte in weitestem Masse von Gegenstrom-Aus- tauschapparaten Gebrauch gemacht wird.
Process for the production of hydrogen and oxygen from electrolytically developed linear gas. In the previously common method for obtaining hydrogen and oxygen by electrolysis of water, the main difficulty is to achieve the most complete possible separation of the two gases and a very large part of the cost of the equipment is due to the need for such devices.
These have the further disadvantage that resistors are introduced into the apparatus, and some of the electrical energy is required to overcome them. The production costs for electrolyser systems would be reduced very considerably and the energy efficiency would be improved if the two gases could be developed together without a separator.
It would therefore be a significant step forward if it were possible to break down the electrolytically developed oxyhydrogen gas with the necessary operational reliability and at low cost into its components. It has already been proposed to develop oxyhydrogen electrolytically under high pressure and to separate the oxygen in liquid form as a result of the decrease in temperature that occurs when the oxyhydrogen is expanded.
Because of the difficulties in working with the gas mixture in an expansion machine, but above all the dangers involved in working with oxyhydrogen under high pressure, this method could not find any practical application.
The present process tries to avoid these difficulties by generating the oxyhydrogen gas in electrolytic apparatus with the exclusion of separating devices, drying it under an excess pressure of 1 to 10 atmospheres and maintaining this pressure by means of them,
liquid nitrogen is frozen in condensers until the oxygen is liquefied @. The overpressure required to carry out the process can be generated by the electrolysis itself or by a compressor. An essential advantage of the process is the possibility that the parts of the apparatus in which oxyhydrogen is present are reduced to a small volume and can be carried out so strongly that the excess pressure that occurs in the event of an explosion can be tolerated by these apparatus parts without damage can.
The electrolytic water decomposition apparatus is advantageously carried out as a so-called filter press apparatus, in which larger gas accumulations can easily be avoided by keeping the contents of the apparatus as full as possible with the alkaline electrolyte. The need to generate liquid nitrogen separately cannot be regarded as a disadvantage, because the energy required for this is less than 5% of that currently used for electrolytic water decomposition.
The method is particularly advantageous when the hydrogen obtained in the electrolysis is used for the synthesis of ammonia, a special plant for the production of nitrogen having to be produced anyway; Part of the nitrogen required for ammonia synthesis is then expediently used for the condensation of the oxygen. The additional energy expenditure caused by the detonating gas separation then falls below 3% of what is currently required for the electrolysis.
The process is carried out as follows, for example: In an electrolyser 1, oxyhydrogen gas is spherical under an excess pressure of about 2 atmospheres. developed, cooled to Kühlwassertempera ture, dried in the drying tube 2 or by further cooling and introduced into the countercurrent cooler 4 at 3. The oxygen separates in the condenser 5, which by under reduced pressure. boiling nitrogen is cooled. The hydrogen remaining in gaseous form leaves the condenser through the pipe 6 and enters the countercurrent cooler.
The liquid nitrogen is taken from an air separation apparatus and passes through the regulating valve? into the cooling vessel 8. By means of a vacuum pump connected to the pipe 9, possibly with the interposition of a heat exchanger for the nitrogen drawn off, the pressure above the boiling nitrogen and thus its boiling temperature is lowered to such an extent that sufficient separation of the oxygen and thus the desired purity of the hydrogen is achieved .
The nitrogen emerging from the vacuum pump can be used for ammonia synthesis. The hydrogen can be removed from the separation apparatus under the pressure of the electrolyzer without expansion; this saves a substantial part of the work required for the usual compression of hydrogen. The oxygen can be withdrawn from the separation apparatus under pressure.
If a compressor is used to achieve the overpressure required for the process, it is expedient to connect it upstream of the drying system. Rotating pumps with high speeds are particularly suitable because the gas space in them is relatively small and the same is also subdivided, as a result of which dangerous shocks are prevented in the event of explosions. Water ring pumps are preferably suitable. This also makes it possible in a simple manner by circulating the circulating water through a cooling device, the cooling of the war men gases and the suppression of the water vapor contained in them.
But it can also be used turbo blower or other funding devices with similar properties.
All parts of the apparatus are expediently dimensioned in such a way that they can withstand the pressure of a possible oxyhydrogen gas explosion without damage. The possibility of an explosion is significantly reduced in the parts that contain dried oxyhydrogen due to the fact that the ignition temperature of the dry oxyhydrogen gas is much higher than that of the moist gas. The process is particularly simple and economical if the hydrogen obtained is to be used for the synthesis of ammonia.
You can then make the vacuum pump unnecessary by removing the oxyhydrogen gas. that brings hydrogen into direct contact with the liquid nitrogen and lets it escape together with the vaporized nitrogen. This means that the partial pressure of the nitrogen is reduced to a fraction of the total pressure, namely at a ratio of ss H =: N, to 25% and the temperature of the boiling nitrogen falls accordingly to this pressure.
Furthermore, in the cold and practically oxygen-free nitrogen, the last residues of oxygen still contained in the hydrogen are taken up; This means that the post-cleaning system that would otherwise be necessary to remove the oxygen from the hydrogen is no longer necessary, which saves significant system and operating costs. In this way, a hydrogen-nitrogen mixture will he hold.
Another cleaning method for hydrogen is carried out, for example, in such a way that the still oxygen-containing hydrogen, which rises after expansion in a rectification column, is brought into direct contact with the virtually oxygen-free liquid nitrogen trickling in the opposite direction, whereby practically the entire amount of oxygen is removed from the liquid is recorded. In this operation, a certain controllable amount of nitrogen is mixed with the hydrogen as steam, see above. that a hydrogen-nitrogen mixture is obtained from the top of the column.
A particular advantage of this process, in which such a mixture is obtained, is that the hydrogen-nitrogen mixture escaping under atmospheric pressure enables a far better utilization of the cold than the nitrogen flowing out of the cooling vessel under reduced pressure, whose flow velocity sees backwards the pressure loss must be chosen to be low, with the heat transfer coefficient becoming very small.
The oxygen can also be removed from the separation apparatus under pressure in this type of process. It goes without saying that, in both this and the previously described arrangement, countercurrent exchange devices are used to the greatest possible extent for the purpose of recovering the cold contained in the gases being extracted.