Verfahren zur Herstellung von Ammoniak. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ver fahren zur Herstellung von Ammoniak.
Bei bekannten Verfahren für die direkte Synthese von Ammoniak wird eine Mischung von reinem Wasserstoff und elementarem Stickstoff bei erhöhten Temperaturen und Drucken in Kontakt gebracht mit metallischen Katalysatoren, zum Beispiel Eisen.
Es wurde nun gefunden, dass Ammoniak synthetisch gewonnen werden kann, wenn über ein kohlenstoffhaltiges Kontaktmaterial in der Hitze ein aus elementarem Stickstoff und Wasserdampf bestehendes Reaktionsge misch, in welchem der Wasserdampf in wesentlichem Überschuss über die dem Stick stoff chemisch äquivalente Menge sich be findet, geleitet wird.
Versuche haben erge ben, dass wenn ein gasförmiges Reaktions gemisch von elementarem Stickstoff und Wasserdampf, welches einen wesentlichen Übecschuss an Wasserdampf enthält, in der Hitze in Kontakt mit Kohle, zum Beispiel gepulverte Holzkohle, gebracht wird, Ammo niak sogar bei Drucken, welche Atmosphären- druck nicht wesentlich übersteigen, in Aus beuten entsteht, welche sich in der Grössen ordnung der Ausbeuten bewegen, die bei bekannten katalytischen, unter Anwendung voll sorgfältig gereinigtem, elementarem Wasserstoff und extrem hohen Drucken ar beitenden Verfahren erhalten werden.
Die Erfahrung hat gezagt, dass bei dem vorliegenden Verfahren das angewandte Ver hältnis von Dampf zu Stickstoff ein sehr be deutender Faktor für den Erfolg ist, und dass das im allgemeinen geeignetste Verhältnis dargestellt wird durch 4 Gewichtsteile Dampf zu 1 Gewichtsteil Stickstoff. Eine namhafte Abweichung von diesem Verhältnis hat im allgemeinen ein Sinken der Ammoniakaus- beute zur Folge.
Die Reaktionstemperatur kann zum Bei spiel -der Form der angewandten Kohle ent sprechend variiert werden. Versuche haben ergeben, dass das im allgemeinen verwend bare Temperaturgebiet zwischen 450 0 und 1300 <B>0</B> liegt. Verwendet man gepulverte Holzkohle als Kontaktmaterial, so arbeitet man zweckmässig in der Nähe von 800 C.
Das gasförmige Reaktionsgemisch von Wasserdampf und Stickstoff kann über die normale Siedetemperatur des Wassers vor der Einführung in die Reaktionskammer vor erhitzt werden.
Untersuchungen haben ergeben, dass zur Erzielung einer angemessenen Ausbeute an Ammoniak es im allgemeinen nötig ist, einen leichten Überdruck auf die Gase zu geben. So wurde zum Beispiel bei normalem (atmo sphärischem) Druck nur eine unbedeutende Ausbeute erhalten, und diese Ausbeute er reichte die Grenze eines praktischen Wertes nicht, bevor ein Überdruck von ungefähr <B>0,7</B> kg per Quadratcentimeter erreicht war. Ein Druck von angenähert zwei Atmosphären ergab recht befriedigende Ausbeuten.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens beschrieben Dampf, überhitzt auf ungefähr 140 C, wird in Mischung mit gereinigtem Stickstoff durch eine Kammer geleitet, welche gepul- verteHolzkohle enthält. Während dein Durch leiten des Dampfes durch die Kammer wurde die Temperatur in derselben auf ungefähr <B>8000</B> C gehalten, und das Gewichtsverhältnis von Dampf zu Stickstoff im Reaktionsgemisch wurde angenähert entsprechend 4:1 gehal ten. Es möge bemerkt werden, dass der während dem Gasdurchgang in der Kammer zu erhaltende Druck ein Faktor ist, welcher dem Einfluss der Geschwindigkeit des Gasdurch ganges und dem der Grösse des Querschnittes der Kammeraustrittsüffnung unterworfen ist.
Im vorliegenden Beispiele war der in der Kammer erhaltene Druck 1,76 kg per Quadrat- centimeter, und die Durchflussgeschwindigkeit der Gasmischung war so, dass ungefähr 18,14 kg der Mischung per Stunde über das Kontaktmaterial passierten.
Es sei bemerkt, dass das Verhältnis von Dampf zu Stickstoff in der Reaktionsmischung einen Lberschuss von Dampf über Stickstoff darstellt und, dass das Verhältnis des im Beispiel angewandten Überschusses zu der chemisch äquivalenten, für die Ammoniak bildung notwendigen Proportion ungefähr wie Z : 1 sich verhält.
Der kostspieligste Posten in der Fabrika tion von synthetischem Ammoniak vermittelst bekannter Direktverfahren liegt in der not wendigen Verwendung von hochgereinigtem Wasserstoff. Bei dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung sind die Schwierig keiten und der Kostenpunkt, welche die Ver wendung von reinem Wasserstoffgas mit sich bringt, vollständig eliminiert.
Ein weiterer wichtiger Kostenpunkt bei der Herstellung von synthetischem Ammoniak nach bekann ten Prozessen wird durch die Notwendigkeit bedingt, extrem hohe Drucke zu erzeugen und zu erhalten, um eine kommerzielle Ausbeute zu erzielen ; im Gegensatz hierzu wird das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung durch solche Unkosten nicht belastet, da es keiner extrem hoher Drucke bedarf, um kom merzielle Ausbeuten zu liefern. Bei dem Ver fahren gemäss der Erfindung besteht die Not wendigkeit nicht, Sauerstoff von der Reak tionssphäre auszuschliessen.
Im Vergleich mit Verfahren, welche die Verwendung reinen Wasserstoffes in Verbindung tnit der Anwen dung grosser Drucke verlangen, werden für das vorliegende Verfahren vereinfachte Fa brikationsanlagen benötigt.
Process for the production of ammonia. The present invention relates to a method for the production of ammonia.
In known processes for the direct synthesis of ammonia, a mixture of pure hydrogen and elemental nitrogen is brought into contact with metallic catalysts, for example iron, at elevated temperatures and pressures.
It has now been found that ammonia can be obtained synthetically if a reaction mixture consisting of elemental nitrogen and water vapor, in which the water vapor is in a substantial excess over the amount chemically equivalent to the nitrogen, is passed through a carbon-containing contact material in the heat becomes.
Experiments have shown that if a gaseous reaction mixture of elemental nitrogen and water vapor, which contains a substantial excess of water vapor, is brought into contact with coal, for example powdered charcoal, in the heat, ammonia is even at pressures which atmospheric Do not exceed the pressure significantly, in booty arises, which are in the order of magnitude of the yields that are obtained with known catalytic processes using fully purified, elemental hydrogen and extremely high pressures.
Experience has shown that in the present process the ratio of steam to nitrogen used is a very significant factor in success and that the most suitable ratio in general is represented by 4 parts by weight of steam to 1 part by weight of nitrogen. A significant deviation from this ratio generally results in a decrease in the ammonia yield.
The reaction temperature can, for example, be varied according to the shape of the coal used. Tests have shown that the generally usable temperature range is between 450 0 and 1300 <B> 0 </B>. If powdered charcoal is used as the contact material, it is practical to work in the vicinity of 800 C.
The gaseous reaction mixture of water vapor and nitrogen can be preheated above the normal boiling temperature of the water before being introduced into the reaction chamber.
Investigations have shown that to achieve an adequate yield of ammonia it is generally necessary to apply a slight overpressure to the gases. For example, at normal (atmospheric) pressure, only an insignificant yield was obtained, and this yield did not reach the limit of practical value until an overpressure of approximately 0.7 kg per square centimeter was reached. A pressure of approximately two atmospheres gave quite satisfactory yields.
An embodiment of the process is described below. Steam, superheated to approximately 140 C, is passed through a chamber containing powdered charcoal in a mixture with purified nitrogen. While the steam was being passed through the chamber, the temperature therein was maintained at approximately 8000 C, and the weight ratio of steam to nitrogen in the reaction mixture was maintained approximately 4: 1. It should be noted that that the pressure to be maintained in the chamber during the gas passage is a factor which is subject to the influence of the speed of the gas passage and that of the size of the cross-section of the chamber outlet opening.
In the present example, the pressure obtained in the chamber was 1.76 kg per square centimeter and the flow rate of the gas mixture was such that approximately 18.14 kg of the mixture per hour passed over the contact material.
It should be noted that the ratio of steam to nitrogen in the reaction mixture represents an excess of steam over nitrogen and that the ratio of the excess used in the example to the chemically equivalent proportion required for ammonia formation is approximately Z: 1.
The most costly item in the manufacture of synthetic ammonia by means of known direct processes is the necessary use of highly purified hydrogen. In the method according to the present invention, the difficulties and the cost point which the use of pure hydrogen gas entails are completely eliminated.
Another important cost item in the production of synthetic ammonia by well-known processes is due to the need to generate and maintain extremely high pressures in order to achieve commercial yield; in contrast, the process of the present invention is not burdened by such expense, since it does not require extremely high pressures to provide commercial yields. In the process according to the invention, there is no need to exclude oxygen from the reaction sphere.
In comparison with processes which require the use of pure hydrogen in connection with the application of high pressures, simplified production facilities are required for the present process.