DE102016003950A1

DE102016003950A1 - Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure

Info

Publication number: DE102016003950A1
Application number: DE102016003950.7A
Authority: DE
Inventors: Kai ZIEGLER; Klaus Hörmeyer; Marco Ernst; Roland Emmerich; Stefan UBBEN
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2017-10-12
Also published as: FR3049979A1; RU2017111302A3; RU2017111302A; DE102016003950A8; RU2734984C2; CN107265421A; US20170291815A1

Abstract

Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure, umfassend eine Dampfturbine mit einem Dampfturbinenrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n10 ausgebildet ist, einen ersten Kompressor mit einem ersten Kompressorrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n20 ausgebildet ist, einen zweiten Kompressor (30) mit einem zweiten Kompressorrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n30 ausgebildet ist, einen Expander (40) mit einem Expanderrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n40 ausgebildet ist, wobei die Dampfturbine als Antriebsaggregat für den ersten Kompressor ausgebildet ist und deren Rotor über eine erste Kupplung mit der Rotor des ersten Kompressors in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor des ersten Kompressors über eine zweite Kupplung mit dem Rotor des zweiten Kompressors in Wirkverbindung steht und den zweiten Kompressor antreibt, wobei der Expander als Antriebsaggregat für den zweiten Kompressor ausgebildet ist und dessen Rotor über eine dritte Kupplung mit dem Rotor des zweiten Kompressors in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kompressor in Bezug auf seine Wirkungsgrad optimierte Drehzahl n30 derart ausgelegt ist, das bei Betrieb des Maschinenstrangesdie Drehzahlen n10 der Dampfturbine, die Drehzahlen n20 des ersten Kompressors, die Drehzahlen n30 des zweiten Kompressors und die Drehzahlen n40 des Expanders gleich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure nach dem Zwei-Druckverfahren, in der die Verbrennung des eingesetzten Ammoniaks bei einem ersten, niedrigen Druck mittels verdichteter Prozessluft geschieht und das durch die Verbrennung gebildete Nitrosegas bei einem zweiten, vergleichsweise höheren Druck als dem ersten mindestens teilweise von Wasser absorbiert wird, wodurch die Salpetersäure entsteht, und das nicht absorbierte Restgas zwecks Gewinnung von Kompressorarbeit einem Restgasexpander vom zweiten Druck auf Umgebungsdruck entspannt wird.
Die zur Herstellung von Salpetersäure eingesetzten Stoffe und Stoffgemische und Reaktionsgleichungen sind in der EP 0 945 400 B1 beschrieben. Ein wesentlicher Schritt des Verfahrens liegt darin, dass ein für eine chemische Reaktion benötigter Luftsauerstoff zugeführt wird. Dazu wird Prozessluft verdichtet und auf einen hohen Druck gebracht. Für die Herstellung der Salpetersäure ist es unter anderem erforderlich, dass Stickstoffoxid NO₂ mit Wasser (H₂O) und Sauerstoff (O₂) chemisch reagiert. Damit diese chemische Reaktion effektiv ist, sollte das Stickstoffdioxid unter einem hohen Druck vorliegen. Vorzugsweise sollte dieser Druck zwischen 4 und 14 bar liegen.
Es sind einsträngige Salpetersäure-Anlagen bekannt, die eine Kapazität zwischen 100 und 1000 t Tagesproduktion Salpetersäure aufweisen. Einsträngige Salpetersäure-Anlagen, die nach dem Zwei-Druckverfahren arbeiten, werden wie nachfolgend beschrieben ausgebildet. Ein einziger Strang wird als Einrotorstrang ausgebildet, wobei eine Dampfturbine auf der einen Seite den Strang antreibt und ein Teilgasexpander (Axialexpander), auf der anderen Seite des Stranges angeordnet wird, der ebenfalls zum Antreiben des gesamten Stranges ausgebildet ist.
Ein NO-Kompressor bzw. Nitrosegaskompressor (Radialkompressor) ist mit der Dampfturbine auf der einen Seite und mit einem Luftkompressor (Axialkompressor) auf der anderen Seite drehfest verbunden und der Luftkompressor (Axialkompressor) ist auf der anderen Seite mit einem Teilgasexpander (Axialexpander) drehfest verbunden.
Diese einsträngig ausgebildeten Salpetersäure-Herstellungsanlagen weisen den Nachteil auf, dass die bisher bei solchen Stranganordnungen verwendeten Nitrose- und Luftkompressor für deren optimalen Betrieb unterschiedliche Drehzahlen aufweisen, so dass zwischen dem Nitrotesgaskompressor und dem Luftkompressor ein Getriebe mit Kupplungen angeordnet werden muss und die axiale Baulänge demnach relativ groß ist. Zudem führt das Getriebe selber zu Verlusten, was den Gesamtwirkungsgrad des Stranges weiter vermindert.
Die Anordnung eines Getriebes zwischen dem schnell laufenden Strangteil (Dampfturbine und Nitrosegaskompressor) und dem langsam laufenden Strangteil (Luftkompressor und Expander) ist im Stand der Technik nötig, da bauartbedingt der Luftkompressor (Axialkompressor) die hohen Drehzahlen, die für die Dampfturbine und den Nitrogaskompressor (Radialkompressor) als optimal gelten, nicht realisieren kann.
Eine zu dem vorgenannten Maschinenstrang grundsätzlich andere Bauart für eine Anlage zur Herstellung von Salpetersäure ist in der EP 0 945 400 B1 beschrieben, wobei auch diese Salpetersäure-Anlage nach dem Zwei-Druckverfahren arbeitet. Ein wesentliches Merkmal dieser Salpetersäure-Anlage ist, dass der Luftkompressor, der Nitrosegaskompressor und der Teilgasexpander in einer Getriebemaschine kombiniert werden und somit einen Mehrwellen-Radial-Turbokompressor bilden. Anlagen nach einem solchen Bauprinzip haben jedoch den Nachteil, dass einerseits auch wieder ein mit Verlusten behaftetes Getriebe vorhanden ist und andererseits die Bauhöhe durch das Großrad der Getriebemaschine relativ hoch ist.
Es besteht somit Bedarf an Maschinensträngen zur Herstellung von Salpetersäure, die effektiver und demnach mit geringeren Verlusten betrieben werden können. Weiterhin besteht Bedarf daran, den Bauraumbedarf eines solchen Maschinenstranges zu verringern, um diesen in kleiner dimensionierten Gebäuden mit reduzierter Baulänge und Bauhöhe positionieren zu können.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Maschinenstrang gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure umfasst eine Dampfturbine mit einem Dampfturbinenrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n10 ausgebildet ist, einen ersten Kompressor mit einem ersten Kompressorrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n20 ausgebildet ist, einen zweiten Kompressor mit einem zweiten Kompressorrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n30 ausgebildet ist und einen Expander mit einem Expanderrotor, welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n40 ausgebildet ist.
Die Dampfturbine ist als Antriebsaggregat für den ersten Kompressor ausgebildet und deren Rotor steht über eine erste Kupplung mit dem Rotor des ersten Kompressors in Wirkverbindung.
Der Rotor des ersten Kompressors steht über eine zweite Kupplung mit dem Rotor des zweiten Kompressors in Wirkverbindung und treibt den zweiten Kompressor an.
Der Expander ist als Antriebsaggregat für den zweiten Kompressor ausgebildet und dessen Rotor steht über eine dritte Kupplung mit dem Rotor des zweiten Kompressors in Wirkverbindung.
Bei Betrieb der Vorrichtung sind die Drehzahlen n10 der Dampfturbine, die Drehzahlen n20 des ersten Kompressors, die Drehzahlen n30 des zweiten Kompressors und die Drehzahlen n40 des Expanders stets gleich, denn zwischen keiner der vorgenannten Maschinen des Maschinenstranges sind Getriebe zur Unter- oder Übersetzung der jeweiligen Drehzahlen angeordnet.
Der erste Kompressor kann als Radialkompressor (ein- oder mehrstufig) und der zweite Kompressor kann als mehrstufiger Axialkompressor ausgebildet sein.
Die Maschinenkomponenten des erfinderischen Maschinenstranges haben nur eine gemeinsame Strangdrehzahl, kein Getriebe und auch weniger Kupplungen als die bekannten Anordnungen aus dem Stand der Technik, wobei insbesondere der zur Verwirklichung dieser Erfindung verwendete Luftkompressor (zweite Kompressor) einen wesentlichen Einfluss zur Erzielung der gemeinsamen Strangdrehzahl hat. Die Auslegung des Luftkompressors ermöglicht eine Erhöhung der Drehzahl um 30–40% gegenüber den Luftkompressoren aus dem Stand der Technik, wodurch auch die bei der Erfindung verwendete Bauart des Expanders positiv beeinflusst wird, denn durch die höhere Drehzahl reichen schon kleinere Expander Bauarten zur Erzielung der gewünschten Antriebsleistung durch den Expander aus.
Im Zuge der Überlegungen zu einem neuen Konzept für einen Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure hat sich nun herausgestellt, dass nach den bisherigen Anordnungsprinzipien nicht das Optimum für den gesamten Maschinenstrang sowie für deren einzelnen Maschinenkomponenten erreicht wird, dies besonders in Bezug auf deren Wirkungsgrade sowie des gesamten Bauraums und der Kosten.
Insbesondere durch Untersuchungen der einzelnen Maschinenkomponenten hat sich demnach ergeben, dass durch den Verzicht eines Getriebes zwischen dem ersten und dem zweiten Kompressor (Anordnung gemäß dem Stand der Technik) einerseits die Kosten für das Getriebe entfallen und andererseits der Bauraum signifikant reduziert werden kann und somit der Maschinenstrang wesentlich effizienter ausgestaltet ist.
Im Zuge der Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass das Weglassen des Getriebes nicht ohne weitere Maßnahmen in Bezug auf die Ausgestaltung einzelner Maschinenkomponenten des Maschinenstrangs zu realisieren ist, denn die bisher verwendeten Maschinenkomponenten des Maschinenstranges haben keine einheitlichen optimalen Drehzahlbereiche, was zum Weglassen des Getriebes erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird nun der vorzugsweise als Luftkompressor ausgelegte zweite Kompressor dahingehend in Bezug auf seine optimierte Drehzahl ausgelegt, das bei Betrieb des Maschinenstranges die Drehzahlen n10 der Dampfturbine, die Drehzahlen n20 des ersten Kompressors, die Drehzahlen n30 des zweiten Kompressors und die Drehzahlen n40 des Expanders gleich sind.
Anhand der Beschreibung und der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Dabei haben mit demselben Bezugszeichen versehene Komponenten die gleiche Funktionsweise.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Maschinenstranges zur Herstellung von Salpetersäure gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfinderischen Maschinenstranges zur Herstellung von Salpetersäure
In der EP 0 945 400 B1 ist das Verfahren zur Herstellung von Salpetersäure beschrieben. Des Weiteren ist in dieser Patentschrift eine Anlage zur Herstellung von Salpetersäure beschrieben und darüber hinaus sind wesentliche chemische Reaktionsgleichungen, die bei der Herstellung von Salpetersäure angewendet werden, dargestellt.
Der gesamte Inhalt der Patentschrift EP 0 945 400 B1 wird somit in diese Anmeldung übernommen.
Die Figurenbeschreibung bezieht sich insbesondere auf die erforderlichen Kompressoreinheiten. Zu einzelnen Verfahrensabläufen wird auf die EP 0 945 400 B1 verwiesen.
In 1 ist in schematischer Weise der erfinderische Maschinenstrang zur Herstellung von Salpetersäure dargestellt.
Der Maschinenstrang (1) zur Herstellung von Salpetersäure, umfasst eine Dampfturbine (10) mit einem Dampfturbinenrotor (11), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n10 ausgebildet ist, einen ersten Kompressor (20) mit einem ersten Kompressorrotor (21), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n20 ausgebildet ist, einen zweiten Kompressor (30) mit einem zweiten Kompressorrotor (31), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n30 ausgebildet ist, einen Expander (40) mit einem Expanderrotor (41), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n40 ausgebildet ist.
Die Dampfturbine (10) ist als Antriebsaggregat für den ersten Kompressor (20) ausgebildet und deren Rotor (11) steht über eine erste Kupplung (K1) mit der Rotor (21) des ersten Kompressors (20) in Wirkverbindung.
Der Rotor (21) des ersten Kompressors (20) steht über eine zweite Kupplung (K2) mit dem Rotor (31) des zweiten Kompressors (30) in Wirkverbindung und treibt den zweiten Kompressor (30) an.
Der Expander (40) ist als Antriebsaggregat für den zweiten Kompressor (30) ausgebildet und dessen Rotor (41) steht über eine dritte Kupplung (K3) mit dem Rotor (30) des zweiten Kompressors in Wirkverbindung.
Der zweite Kompressor (30) ist in Bezug auf seine Wirkungsgrad optimierte Drehzahl n30 derart ausgelegt, das bei Betrieb des Maschinenstranges (1) die Drehzahlen n10 der Dampfturbine (10), die Drehzahlen n20 des ersten Kompressors (20), die Drehzahlen n30 des zweiten Kompressors (30) und die Drehzahlen n40 des Expanders (40) gleich sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, ist der erste Kompressor als Radialkompressor und der zweite Kompressor als Axialkompressor ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Maschinenstrang
10: Dampfturbine
11: Rotor der Dampfturbine
20: erster Kompressor
21: Rotor des ersten Kompressors
30: zweiter Kompressor
31: Rotor des zweiten Kompressors
40: Expander
41: Rotor des Expanders
K1: erste Kupplung
K2: zweite Kupplung
K3: dritte Kupplung
n10: Drehzahl der Dampfturbine
n20: Drehzahl des zweiten Kompressors
n30: Drehzahl des dritten Kompressors
n40: Drehzahl des Expanders

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0945400 B1 [0002, 0007, 0025, 0026, 0027]

Claims

Maschinenstrang (1) zur Herstellung von Salpetersäure, umfassend eine Dampfturbine (10) mit einem Dampfturbinenrotor (11), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n10 ausgebildet ist, einen ersten Kompressor (20) mit einem ersten Kompressorrotor (21), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n20 ausgebildet ist, einen zweiten Kompressor (30) mit einem zweiten Kompressorrotor (31), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n30 ausgebildet ist, einen Expander (40) mit einem Expanderrotor (41), welcher zur Drehung mit einer Drehzahl n40 ausgebildet ist, wobei die Dampfturbine (10) als Antriebsaggregat für den ersten Kompressor (20) ausgebildet ist und deren Rotor (11) über eine erste Kupplung (K1) mit der Rotor (21) des ersten Kompressors (20) in Wirkverbindung steht, wobei der Rotor (21) des ersten Kompressors (20) über eine zweite Kupplung (K2) mit dem Rotor (31) des zweiten Kompressors (30) in Wirkverbindung steht und den zweiten Kompressor (30) antreibt, wobei der Expander (40) als Antriebsaggregat für den zweiten Kompressor (30) ausgebildet ist und dessen Rotor (41) über eine dritte Kupplung (K3) mit dem Rotor (30) des zweiten Kompressors in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kompressor (30) in Bezug auf seine Wirkungsgrad optimierte Drehzahl n30 derart ausgelegt ist, das bei Betrieb des Maschinenstranges (1) die Drehzahlen n10 der Dampfturbine (10), die Drehzahlen n20 des ersten Kompressors (20), die Drehzahlen n30 des zweiten Kompressors (30) und die Drehzahlen n40 des Expanders (40) gleich sind.
Maschinenstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressor (20) ein Radialkompressor ist.
Maschinenstrang (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kompressor (30) ein Axialkompressor ist.