DE1102112B

DE1102112B - Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Synthesegas und von Sauerstoff und Stickstoff

Info

Publication number: DE1102112B
Application number: DEB49749A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Ernst Wittmann; Dipl-Ing Ernst Thomann
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1958-07-26
Filing date: 1958-07-26
Publication date: 1961-03-16

Description

Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Synthesegas und von Sauerstoff und Stickstoff Sauerstoff und Stickstoff sind Ausgangsstoffe für viele chemische Verfahren, und es besteht dabei das Bedürfnis, diese Ausgangsstoffe auf immer wirtschaftlichere Weise in großem Maßstab zu erzeugen. Die Senkung des Energiebedarfs für die Luftzerlegung und die Deckung der Kälteverluste ist ein entscheidendes Problem bei der Erzeugung von Sauerstoff und Stickstoff. Für ausgeführte Anlagen wurden bisher z. B. etwa 3000 kWh für die Erzeugung von 5000 Nm3/Std. Sauerstoff angegeben. Es sind zahlreiche chemische Reaktionen- in der chemischen Technik bekannt, bei denen Sauerstoff oder Stickstoff Reaktionspartner sind. Als Reaktion ist dabei häufig nur eine partielle Oxydation oder eine mit bestimmter positiver Wärmetönung ablaufende Umwandlung vorgesehen, für deren Durchführung ein allzu großer apparativer und energetischer Aufwand nicht tragbar ist. Beispiele für derartige Reaktionen sind die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit dem Ziel der Erzeugung von Wasserstoff, die Konvertierung von Kohlenmonoxyd, die Vergasung von Kohle mit Luft oder Sauerstoff zur Gewinnung von Wasserstoff, die Bindung von Wasserstoff an Stickstoff zu Ammoniak u. v. a. Die dabei jeweils frei werdende Wärme wird bisher vorzugsweise zur Erzeugung von Wasserdampf benutzt. Es ist aber auch schon bekannt, die bei totaler Oxydation von Brennstoffen oder bei partieller Oxydation z. B. von Kohlenwasserstoffen anfallende Abwärme in einen Gasturbinenprozeß einzusetzen und außer dem Energiebedarf für den bei diesem Verfahren verwendeten Luftverdichter noch zusätzlich mechanische und elektrische Energie zu gewinnen.
Es wurde nun gefunden, daß man durch einen Einsatz des Gasturbinenprozesses bei der Ausführung chemischer Verfahren, die Sauerstoff oder Stickstoff verbrauchen, und durch verbesserte Anordnung der Wärmeführung im Verbundbetrieb mit solchen chemischen Verfahren eine Senkung des Energieverbrauchs für die Lufttrennung in Sauerstoff und Stickstoff erreichen kann. Der verbesserte Verbundbetrieb besteht darin, daß die aus der Gasturbine kommende Luft vor ihrer Rückführung zum Luftverdichter ihre Restwärme an ein kohlenwasserstoffhaltiges Reaktionsgas und den Sauerstoff in Wärmetauschern. abgibt, die einem Reaktor vorgeschaltet sind, in dem das Reaktionsgas mit dem Sauerstoff exotherm zu Synthesegas umgesetzt wird, ferner ein Teil der vom Turboverdichter kommenden Luft die Reaktionswärme einer gegebenenfalls vorhandenen Konvertierung und der Kohlenwasserstoffspaltanlage aufnimmt und mit dieser Wärme in die Gasturbine eintritt, während der andere Teil der vom Turboverdichter kommenden Luft mit dem für die Niederdruck-Lufttrennanlage notwendigen Druck in die Niederdruck-Lufttrennanlage eintritt. Voraussetzung dafür ist eine erst in neuester Zeit abgeschlossene Entwicklung der Lufttrennung, die lediglich einen Druck der Luft von 4,7 atü verlangt. An Hand eines Beispiels und der Abbildung sei die Erfindung näher erläutert Beispiel In einer Anlage 4 zum Spalten von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Sauerstoff erzeugt man den für die Ammoniaksynthese in einem nicht näher dargestellten Syntheseofen benötigten Wasserstoff: Die Senkung des Energieverbrauchs wird durch folgende Anordnung erreicht. Die für die chemische Reaktion in der Anlage 4 notwendigen Anteile an Sauerstoff und Methan werden im Wärmetauscher 7, 8 im Gegenstrom zu der mit etwa 430°C und etwa 1,06 ata aus der Gasturbine 5, 6 austretenden Luft vorgewärmt, um in der Anlage 4 in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff gespalten zu werden. Dabei wird eine Temperatur von etwa 820°C erreicht. Diese Wärme wird an Luft, die mit etwa 365°C und etwa 9,08 ata in die Anlage 4 eintritt, übertragen. Die Luft verläßt die Anlage 4 mit etwa 815°C und steht mit ungefähr 8,9 ata der Gasturbine zur Verfügung. Das die Spaltanlage 4 verlassende Gas wird in der Anlage 3 konvertiert und gibt seine Wärme an die Luft von 9,08 ata ab, die damit eine Temperatur von etwa 365°C erreicht. Das Synthesegas kann für die Vorwärmung von Sauerstoff und Methan ebenfalls herangezogen werden. Der Luftkreislauf wird so gefahren, daß Frischluft und Kreisluft den Bedarf der Gasturbine 5 und 6 und der Lufttrennanlage 9 decken. Der Luftverdichter 1 erhöht den Druck im Niederdruckteil von 1 ata auf 2,95 ata und nach Abführung der Kompressionswärme im Zwischenkühler (10) im Hochdruckteil auf 9,08 ata. Bei etwa 6 ata wird dem Luftverdichter 1, 2 ein Teil-1095301480 strom Luft entnommen und nach Abführung der Kompressionswärme der Lufttrennanlage 9 zugeführt.
Bei einem unteren Heizwert (0° C 760) von

Methan (C H4) . . . . . . . . . . . . . . H, = 8 620 kcal/Nm 3

Kohlenmonoxyd (CO) ....... H," = 3 033 kcal/Nm3

ZVasserstoff (H") . . . . . . . . . . . . H" = 2 615 kcal/Nm3

ergeben. sich aus den Reaktionsgleichungen: C H4 + 112 02 =Co + 2H2 (+ 377 kCal/Nm 3 C H4), (1) CO -f- H20 = C02 -f- H2 (-f-418 kcal/Nm3 CO), (2) insgesamt 795 kcal exotherme Reaktionswärme.
Von 795 kcal exothermer Reaktionswärme sollen 90 0/0, das sind 715 kcal/Nm3 CH4, arbeitsleistend in einer Expansionsturbine umgesetzt werden. Bei Verarbeitung von 3 600 Nm3/Std. CH, stehen zur Verfügung 715 - 3 600 = 2 576 000 kcal/Std.
Rechnet man mit einem wirtschaftlichen Wirkungsgrad von 71 w = 0,2785, so wird der Wärmebedarf Für die Verdichtung von Luft können also nutzbar gemacht werden.
Bei einem Temperaturgefälle von 815° C auf 365° C gleich 450° C und einer spezifischen Wärme der Luft von cD = 0,283 ergibt sich der Luftbedarf der Turbine mit Die Leistung der Turbine beträgt bei einem n = 1,257 A - LT = 715 kcal/Sek., die Leistung des Niederdruckverdichters bei einem za = 1,510 A - LND = 148 kcal/Sek., die Leistung des Hochdruckverdichters bei einem st = 1,494 A - LHD = 162 kcal/Sek.
Der Stromverbrauch für die Erzeugung von Sauerstoff ist bei modernen Anlagen maximal 0,46 kWh/Nm3 02. Es können daher mit 832 kWh erzeugt werden. Im vorliegenden Beispiel reicht diese Sauerstoffmenge für die Spaltung von 3 600 Nm3/Std. Methan gerade aus. Da aus 1 Nm3 C H4 3 Nm3 Wasserstoff entstehen, fallen z. B. die für die Amm.oniaksynthese notwendigen 3 600 Nm3/Std. Stickstoff gleichzeitig mit an. Wärmebilanz Der Luftbedarf für 1 1\Tm3 OZ ist 5,5 Nm3, d. h. für 1800 Nm3/Std. 02 1800 - 5,5 = 9 900 Nm3/Std. Luft. Die Verdichtung ist von 1 ata auf 5,7 ata durchzuführen.

Bei isothermer Verdichtung sind dies 5 630 mkg/Sek. Abzuführende Wärme . . . . . . . . . . . 140 kcal/Sek.

Wärmezufuhr

aus C H4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715 kcal/Sek.

Luft (5,54 - 0,24 . 26) . . . . . . . . . . . . 35 kcal/Sek.

750 kcal/Sek.

Wärmeabfuhr

Luftverdichter für

Lufttrennanlage . . . . . . . . . . . 140 kcal/Sek. 18,66010

Im Zwischenkühler. . . . . . . . . 164 kcal/Sek. 21,870/0

In der Abluft . . . . . . . . . . . . . 329 kcal/Sek. 43,860/,

Übrige Verluste. . . . . . . . . . . . 117 kcal/Sek. 15,610/0

750 kcal/Sek. 100 0/0

Claims

PATENTANSPRUCH: Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Synthesegasen und des dafür benötigten Sauerstoffs sowie von Stickstoff mittels einer Niederdruck-Lufttrennanlage mit dem zugehörigen Luftverdichter in Verbindung mit einem Gasturbinenprozeß, wobei die Gasturbine den Luftverdichter antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Gasturbine kommende Luft vor ihrer Rückführung zum Luftverdichter ihre Restwärme an ein kohlenwasserstoffhaltiges Reaktionsgas und den Sauerstoff in Wärmetauschern abgibt, die einem Reaktor vorgeschaltet sind, in dem das Reaktionsgas mit dem Sauerstoff exotherm zu Synthesegas umgesetzt wird, ferner ein Teil der vom Turboverdichter kommenden Luft die Reaktionswärme einer gegebenenfalls vorhandenen Konvertierung und der Kohlenwasserstoffspaltung aufnimmt und mit dieser Wärme in die Gasturbine eintritt, während der andere Teil der vom Turboverdichter kommenden Luft mit dem für die Niederdruck-Lufttrennanlage notwendigen Druck in die Niederdruck-Lufttrennanlage eintritt. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 622 048, 680159; Escher-Wyss-Mitteilungen, 21./22. Jahrgang, 1948/49, S.95/96.