CH620176A5

CH620176A5 -

Info

Publication number: CH620176A5
Application number: CH602076A
Authority: CH
Inventors: Charles Dr Dipl Ing Mandrin
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1976-05-13
Filing date: 1976-05-13
Publication date: 1980-11-14
Also published as: DE2714967A1; DE2714967B2; FR2351054B1; US4213953A; FR2351054A1; DE2714967C3; CA1102736A; JPS534799A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser, wobei Ammoniak aus durch elektrolytische Spaltung von in einer monothermen Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereichertem Wasser erzeugten Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge des angereicherten Wassers zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird, wobei weiterhin während der Sommermonate eine Überschussmenge an elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff gespeichert wird und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Anlagen weisen eine Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und eine Einrichtung zur Erzeugung von Stickstoff, z. B. durch Luftzerlegung und eine Ammoniaksyntheseeinrichtung auf, sowie einen Speicher für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff und eine monotherme Isotopenaustauschanlage, in welcher Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration an Deuterium angereichert wird und eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser aus einer Teilmenge des angereicherten Wassers.

In der Praxis besteht in den meisten Fällen die Aufgabe, Ammoniak kontinuierlich während des ganzen Jahres zu erzeugen. Um eine solche Ammoniaksyntheseanlage wirtschaftlicher zu gestalten, ist es bekannt, damit eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser zu kombinieren.

Da jedoch bekanntlich zum Betrieb derartiger Anlagen eine relativ grosse elektrische Energie erforderlich ist und der elektrische Strom während der Wintermonate erheblich teurer als während der Sommermonate ist, da in dieser Zeit ein grosser Teil des elektrischen Stromverbrauches, z. B. für Heizzwecke in Gebäuden wegfällt, ist schon vorgeschlagen worden, die Elektrolyseeinrichtung, die zur Erzeugung des für die Ammoniaksynthese benötigten Wasserstoffes dient, während der Wintermonate stillzusetzen und während der Sommermonate eine Überschussmenge von Wasserstoff in der Elektrolyseeinrichtung zu erzeugen und zu speichern, um den Wasserstoffverbrauch der Ammoniaksyntheseanlage während der Wintermonate zu decken.

Diese Lösung hat jedoch zur Folge, dass die Schwerwasser-gewinnungsanlage während der Wintermonate ebenfalls ausser Betrieb ist, da kein Wasser als Einspeisestrom in die Isotopenaustauschanlage zur Verfügung steht.

Ausserdem müssen der bzw. die Isotopenaustauschtürme sowie die Elektrolyseeinrichtung für entsprechend grössere Durchsatzmengen dimensioniert werden, da diese Einrichtungen nur während eines Teiles des Jahres, z. B. während sechs Monaten in Betrieb sind.

Aus diesem Grunde weist die vorstehende Anlage wesentliche Nachteile in wirtschaftlicher Beziehung auf.

Die Erfindung hat sich die Beseitigung dieser Mängel zum Ziel gesetzt. Insbesondere soll mit Hilfe der Erfindung ermöglicht werden, dass der Aufwand an elektrischer Energie für den Betrieb der Gesamtanlage, der insbesondere während der Wintermonate einen erheblichen Kostenfaktor darstellt, gesenkt wird. Die für die Antriebe der Pumpen, Kompressoren und dgl. benötigte elektrische Energie soll mindestens zu einem grossen Teil durch eine andere Energiequelle auf wirts

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schaftliche Weise ersetzt werden. Ausserdem soll es die Erfindung ermöglichen, die Schwerwassergewinnungsanlage auf wirtschaftliche Weise zu betreiben, d. h. das in diese Anlage eingespeiste Wasser möglichst noch an Deuterium anzureichern.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass eine Teilmenge des im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehenden Synthesegasgemisches aus dem Synthesekreislauf entnommen und mit Luft verbrannt wird, wobei ein im wesentlichen aus Wasser und Stickstoff bestehendes Gemisch entsteht, aus welchem das Wasser auskondensiert und von dem Gemisch abgetrennt wird und der Stickstoff zusammen mit dem durch elektrolytische Spaltung gewonnenen Wasserstoff zur Bildung des Synthesegasgemisches zusammengeführt wird.

Eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens besteht nach der Erfindung darin, dass zur Erzeugung von Stickstoff eine Verbrennungseinrichtung dient, an welche eine Zuführleitung für Synthesegasgemisch und eine Zuführleitung für komprimierte Luft angeschlossen sind, und dass die Ableitung der Verbrennungseinrichtung an einen Kondensator angeschlossen ist, welcher vom Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt ist, und dass weiterhin an den Kondensator ein Abscheider für das auskondensierte Wasser angeschlossen ist, der gasseitig mit einer Zuführleitung für Stickstoff in die Synthesegasleitung verbunden ist und flüssigkeitsseitig an eine Ammoniak/Wasser-Trennvorrichtung angeschlossen ist, aus der Ammoniak als Produkt entnommen wird und Wasser in die monotherme Isotopenaustauschanlage zurückgeführt wird.

In der Zeichnung ist in einem Fliesschema eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Anlage dargestellt.

Die Betriebsweise der Anlage erfolgt während der Sommermonate in der nachstehenden Weise:

Durch eine Leitung 1 wird Frischwasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration (IN) in die Anlage eingeleitet. Mit Hilfe der Pumpe 2 wird das Wasser auf den erforderlichen Druck der monothermen Isotopenaustauscheinrichtung gebracht und durchströmt sodann einen Austauschturm 3 a dieser Einrichtung. Im Austauschturm 3a wird das Wasser durch Deuteriumaustausch mit einem ersten Zwischenträgermedium, z. B. Ammoniakdampf oder Methylamindampf an Deuterium angereichert. Dieses Zwischenträgermedium wird mit Hilfe eines von einem Elektromotor 4a angetriebenen Kompressors 4 in einem Kreislauf durch die Austauschtürme 3a, 3b und 5 gefördert, wobei es in den Türmen 3a und 3b an Deuterium verarmt und im Turm 5 an Deuterium angereichert wird.

Eine Teilmenge des angereicherten Wassers wird in eine Schwerwassergewinnungsanlage 6 eingeleitet, in welcher es in bekannter Weise zu schwerem Wasser aufkonzentriert und durch eine Leitung 7 aus der Anlage weggeführt wird. Beispielsweise wird das angereicherte Wasser in einer Elektrolyseeinrichtung gespalten und sodann der sich im abgetrennten Wasserstoff befindende an Deuterium weiter angereicherte Wasserdampf auskondensiert und durch anschliessende Rektifikation zu schwerem Wasser auf konzentriert. Der in der Schwerwassergewinnungsanlage freiwerdende Sauerstoff wird aus der Anlage durch eine Leitung 8 entnommen, während der freiwerdende Wasserstoff in das Synthesegasleitungssystem durch eine Leitung 9 eingespeist wird, nachdem er in einem Kompressor 10, der von einem Elektromotor 10a angetrieben wird, auf den erforderlichen Druck gebracht worden ist.

Die übrige Teilmenge des im Austauschturm 3a angereicherten Wassers, die wesentlich grösser als die in die Schwerwassergewinnungsanlage eingespeiste Wassermenge ist, wird in einen Wasserspeicher 11 eingeleitet und bei geöffnetem Ventil 12 mit Hilfe einer Pumpe 13 in eine Elektrolyseeinrichtung 14 gefördert.

Durch eine Leitung V wird während der Zeit, in der die

Elektrolyseeinrichtung in Betrieb ist, bei geöffnetem Ventil 1" Frischwasser in die Elektrolyseeinrichtung eingeleitet.

Während der Wintermonate wird die Elektrolyseeinrichtung stillgesetzt (in diesem Fall ist Ventil 12 geschlossen), und der Speicher 11 wird mit angereichertem Wasser aufgefüllt und zwar wird eine solche Menge gespeichert, die zur Erzeugung der im Speicher 15 während der Sommermonate gespeicherten Wasserstoffmenge erforderlich ist. Wenn die Elektrolyseeinrichtung während sechs Sommermonaten in Betrieb ist, wird in ihr während dieser Zeit die doppelte Menge an Wasserstoff durch die Spaltung von angereichertem Wasser erzeugt gegenüber derjenigen Wasserstoffmenge, die während sechs Monaten für die Ammoniaksyntheseanlage 16 erforderlich ist.

Während der Sommermonate wird dann ausser der im Austauschturm 3a angereicherten Wassermenge eine gleich grosse Wassermenge aus dem Speicher 11 in der Elektrolyseeinrichtung gespalten.

Der bei der Spaltung abgetrennte Sauerstoff wird durch eine Leitung 17 aus der Einrichtung entnommen und kann einem nicht dargestellten Verbraucher zugeführt werden.

Der abgetrennte Wasserstoff wird im Kompressor 18, der von einem Elektromotor 18a angetrieben wird, verdichtet und bei geöffnetem Ventil 19, das während der Wintermonate geschlossen ist, in einen Speicher 15 eingeleitet.

Die für die Ammoniaksyntheseanlage erforderliche Stickstoffmenge wird in der folgenden Weise erzeugt.

Aus dem Synthesekreislauf, in welchem die Syntheseanlage 16 angeordnet ist, wird nachdem in einem der Anlage nachgeschalteten Kühler 20 das synthetisierte Ammoniak auskondensiert worden ist, nicht synthetisiertes, im wesentlichen aus Stickstoff und Wasserstoff und Argonspuren bestehende Gasgemisch, welches auch noch Restbestandteile von Ammoniak enthält, durch eine Leitung 21 in eine Verbrennungseinrichtung 22 eingeleitet. In diese Einrichtung wird in einem Kompressor 23 verdichtete Luft durch eine Leitung 24 ebenfalls gefördert. Bei der in bekannter Weise mindestens teilweise erfolgenden katalytischen Verbrennung entsteht im wesentlichen Wasserdampf und Stickstoff. Das Verbrennungsgemisch enthält auch noch Argon und kleine Ammoniakmengen. In den Wärmeaustauschern 25 und 26 wird das Gemisch gekühlt und das Wasser und der Ammoniak vollständig kondensiert. In einem Flüssigkeitsabscheider 27 wird der verflüssigte Wasser-und Ammoniakanteil des Gemisches von dem aus Stickstoff und Argon und eventuell noch Spuren von Wasserdampf und dampfförmigem Ammoniak aufweisenden Gemisch abgetrennt und durch eine Leitung 28 in eine Ammoniak/Wassertrennvorrichtung 29 bekannter Bauart eingespeist. Aus dieser Vorrichtung wird durch eine Leitung 30 flüssiges Ammoniak entnommen, während das an Deuterium verarmte Wasser in den Isotopenaustauschturm 3b der monothermen Isotopenaustauschanlage eingespeist wird. Der Verdampfer/Kondensator 25 liegt ausserdem in einem Dampfkreislauf bekannter Ausführung, der ausserdem eine Dampfturbine 31, einen Kondensator 32 und eine Pumpe 33 aufweist.

Die Dampfturbine 31 ist als Antriebsaggregat für den Kompressor 23 für Brennluft, den im Synthesegaskreis angeordneten Kompressor 34 und den im Synthesekreis liegenden Kompressor 35 eingesetzt. Somit entfallen für diese Maschinen elektrische Antriebe und es wird eine wesentliche Einsparung an elektrischem Strom erreicht, was kostenmässig besonders während der Wintermonate ins Gewicht fällt.

Ausserdem wird aufgrund der Tatsache, dass das in den Turm 3b eingespeiste Wasser eine Deuteriumkonzentration aufweist, die wesentlich unterhalb der natürlichen Deuteriumkonzentration (IN) liegt, erreicht, dass der Schwerwassergewinnungsanlage 6 stärker mit Deuterium angereichertes Wasser zugeleitet wird, als dieses der Fall wäre, wenn in die monotherme Isotopenaustauschanlage ausschliesslich Wasser mit s

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natürlicher Deuteriumkonzentration eingeleitet werden würde. Hierduch kann vergleichsweise eine grössere Menge an schwerem Wasser in der Anlage 6 bei gleichem Energieaufwand erzeugt werden.

Der für die Ammoniaksynthese in der Verbrennungsvorrichtung 22 gewonnene Stickstoff wird aus dem Flüssigkeitsabscheider 27 durch eine Leitung 36 in den Synthesegaskreislauf gefördert. Eine Teilmenge wird durch eine Leitung 37 aus der Anlage weggeführt, um zu verhindern, dass sich in der Syntheseanlage Argon in unerwünschtem Masse ansammelt. Diese im wesentlichen aus Stickstoff und Argon bestehende entnommene Inertgasmenge kann zu anderen Verbrauchszwecken verwendet werden.

Das im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehende Synthesegas wird in dem, von der Dampfturbine 31 angetriebenen Kompressor 34 verdichtet und in einen Isoto-

penaustauschturm 38 der monothermen Isotopenaustauschanlage gefördert. In diesem Austauschturm wird das Synthesegasgemisch und die durch die Leitung 9 zugeführte Wasserstoffmenge durch Isotopenaustausch mit einem zweiten Zwi-s schenträgermittel, z. B. flüssigem Ammoniak oder flüssigem Methylamin an Deuterium angereichert, sodann in einen Tropfenabscheider 39 eingeführt und mittels Kompressor 35 in die Syntheseanlage 16 eingeleitet. Das gewonnene Ammoniak wird in dem Kühler 20 kondensiert und durch eine Produktleitung 40 aus der Anlage weggeführt.

Das zweite Zwischenträgermittel wird, nachdem es im Austauschturm 38 an Deuterium angereichert worden ist, in einem Drosselventil 41 entspannt und dann im Austauschturm 5 durch Isotopenaustausch mit dem ersten Zwischenträgermittel an Deuterium verarmt, anschliessend mittels Pumpe 42 auf den erforderlichen Betriebsdruck des Austauschturmes 38 gebracht und in diesem wieder an Deuterium angereichert.

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1 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser, wobei Ammoniak aus durch elektrolytische Spaltung von in einer monothermen Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereichertem Wasser erzeugtem Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge des angereicherten Wassers zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird, wobei weiterhin während der Sommermonate eine Überschussmenge an elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge des im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehenden Synthesegasgemisches aus dem Synthesekreislauf entnommen und mit Luft verbrannt wird, wobei ein im wesentlichen aus Wasser und Stickstoff bestehendes Gemisch entsteht, aus welchem das Wasser auskondensiert und von dem Gemisch abgetrennt wird und der Stickstoff zusammen mit dem durch elektrolytische Spaltung gewonnenen Wasserstoff zur Bildung des Synthesegasgemisches zusammengeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Synthesegasgemisch mindestens teilweise katalytisch verbrannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass während der Wintermonate zur Bildung des Synthesegasgemisches gespeicherter, während der Sommermonate durch elektrolytische Spaltung gewonnener Wasserstoff verwendet wird und während der Wintermonate in der monothermen Isotopenaustauschanlage angereichertes Wasser gespeichert wird, welches während der Sommermonate elektrolytisch gespalten wird.
4. Anlage zur Gewinnung von Ammoniak und von schwerem Wasser nach Anspruch 1, wobei die Anlage eine Elektrolyseeinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und eine Einrichtung zur Erzeugung von Stickstoff und eine Ammoniaksyntheseeinrichtung aufweist, sowie einen Speicher für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff und eine monotherme Isotopenaustauschanlage, in welcher Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration an Deuterium angereichert wird und eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser aus einer Teilmenge des angereicherten Wassers, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Stickstoff eine Verbrennungseinrichtung (22) dient, an welche eine Zuführleitung (21) für Synthesegasgemisch und eine Zuführleitung (24) für komprimierte Luft angeschlossen sind, und dass die Ableitung der Verbrennungseinrichtung (22) an einen Kondensator (25) angeschlossen ist, welcher vom Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt ist, und dass weiterhin an den Kondensator (25) ein Abscheider (27) für das auskondensierte Wasser angeschlossen ist, der gasseitig mit einer Zuführleitung (36) für Stickstoff in die Synthesegasleitung verbunden ist und flüssigkeitsseitig an eine Ammoniak/Wasser-Trennvorrichtung (29) angeschlossen ist, aus der Ammoniak als Produkt entnommen wird und Wasser in einen Austauschturm (3b) der monothermen Isotopenaustauschanlage (3a, 3b, 5,38) zurückgeführt wird.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die monotherme Isotopenaustauschanlage (3a, 3b, 5,38) mindestens einen Austauschturm (3a, 3b) aufweist, in welchem das der Elektrolyseeinrichtung (14) bzw. der Schwerwasserge-winnungsanlage (6) zugeführte Wasser mit einem in einem Kreislauf strömenden dampfförmigen ersten Zwischenträgermedium in Isotopenaustausch gebracht wird, und dass dieses erste Zwischenträgermedium in mindestens einem Isotopen-austauschturm (5) mit einem flüssigen, in einem Kreislauf strömenden zweiten Zwischenträgermedium in Isotopenaustausch gebracht wird, wobei dieses zweite Zwischenträgermedium in mindestens einem Isotopenaustauschturm (38) mit dem der Ammoniaksyntheseanlage (16) zugeführten Synthesegasgemisch in Isotopenaustausch gebracht wird.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischenträgermedium aus Ammoniakdampf und das zweite Zwischenträgermedium aus flüssigem Ammoniak besteht.
7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischenträgermedium aus Methylamindampf und das zweite Zwischenträgermedium aus flüssigem Methylamin besteht.