DE2000826C - Verfahren zur Verbesserung des Temperaturverlaufs in einem Wärmeübertrager zwischen hochgespanntem Stickstoff und Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch bei der Herstellung von Ammoniaksynthesegas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesse- Dabei wird der zugemischte Stickstoff auf den

rung des Temperaturverlaufs in einem Wärmeüber- Partialdruck des Stickstoffs im Wasserstoh-Mickstpii-

trager zwischen hochgespanntem Stickstoff und aus Gemisch entspannt, wodurch Kalte entsteht. Mier-

dem Kopf einer Waschsäule abgezogenem Wasser- durch wird das Q-T-Diagramm wesentlich verbessert. stoff-Stickstoff-Gemisch bei der Herstellung von 5 Da die Zumischung von Stickstoff zum Produktstrom

Ammoniaksynthesegas, bei dem der Stickstoff ver- aus der Waschsäule sowieso zur Herstellung des

flüssigt und als Waschflüssigkeit auf die Waschsäule Ammoniaksynthesegases erforderlich ist, ist es von

aufgegeben wird. besonderem Vorteil, diese Zumischung bereite bei

Aus der deutschen Patentschrift 1 184 360 ist ein üefer Temperatur vorzunehmen, um das Q-T-Dia-Verfahren bekannt, bei dem Hochdruckstickstoff in io gramm zu verbessern.

einem Wärmeübertrager gegen aus der Waschsäule Aus der USA.-Patentschrift 2 936 593 ist es zwai abgezogenes Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch abge- bereits bekannt, die Entspannung von flüssigem Stickkühlt wird. Ein Teilstrom des Hochdruckstickstoffes stoff auf seinen Partialdruck in einem gasformigen wird im Wärmeübertrager abgezweigt, arbeitsleis,tend Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch zur Kälteerzeugung in entspannt und gegen verdampfenden, verunreinigten 15 einem Verfahren zur Herstellung von Ammoniak-Waschstickstoff verflüssigt. Danach wird er durch synthesegas auszunutzen. Diese Maßnahme dient dort eine Pumpe auf den Druck der Wassersäule gefördert ausschließlich zur Kälteerzeugung auf der Rohgas- und mit dem restlichen Hochdruckstickstoff vereinigt, seite, um den unter niedrigem Druck stehenden gaswelcher im Wärmeübertrager weiter abgekühlt und förmigen Stickstoff leichter verflüssigen zu können, durch ein Ventil auf den Druck da Wasehsüule ge- ao Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt d;idrossclt wurde. Durch diese Verfahrensweise ergibt gegen die Entspannung des Stickstoffes auf seinen sich ein niedriger Energiebedarf. Partialdruck auf der Produktgasseite. Die Kälteerzeu-

Dcr Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen gung ist dabei nicht Selbstzweck, sondern nur ein

Hochdruckstickstoll und Wasserstoff-Stickstoff-Ge- Nebeneffekt, da bei dem Verfahren, von dem die misch im Wärmeübertrager ist jedoch nicht uplimal. 25 Erfindung ausgeht, ohne Schwierigkeiten genügend

Unterhalb der Abzweigung eines Teilstromes des zu Kälte erzeugt werden kann. Die Verdampfung auf

verflüssigenden Stickstoffes im Wärmeübertrager er- Partialdruck erfolgt vielmehr in erster Linie dazu,

gibt sich wegen der Temperaturabhängigkeit der spe- das Q-T-Diagramm zu verbessern und eine Uber-

zifischen Wärme des Hochdruckstickstoffes im Q-T- schneidung der Erwärmungs- und Abkühlungskurven Diagramm ein gekrümmter Verlauf der Abkühlungs- 30 bei etwa 140 K zu vermeiden,

kurve des Stickstoffes, wahrend die Kurve des sich Zur Stickstolfzumischung gemäß der Erfindung

erwärmenden Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches nahe- verwendet man vorteilhaft entweder einen Teil des

zu gradlinig verläuft. Im Q-T-Diagramm, in dem über arbeitsleistend expandierten, verflüssigten und mit der

der Temperatur die ausgetauschten Wärmemengen Pumpe auf den Druck der Waschsäule geförderten

aufgetragen sind, ergibt sich deshalb im Temperatur- 35 Stickstoffes, oder man verwendet einen Teil des wei-

gebiet um 140° K eine kritische Stelle. Halt man an tergekühlten Hochdruckstickstoffes, der über ein

dieserStelleeinezweckmäßigeTemperaturdifferenzein, Drosselventil dem zurückströmenden Wasserstoff-

so klafft das Q-T-Diagramm an anderen Stellen rela- Stickstoff-Gemisch zugemischt wird. In allen Fällen

tiv weit auseinander, wodurch Energie entwertet wird. kann ein Teil des arbeitsleistend expandierten Stick-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den 40 stoffes als Kältekreislauf zurück in den Wärmeüber-

Veriauf der Erwärmungskurve des Wasserstoff-Stick- trager geleitet und über einen Verdichter wieder in

stoff-Gemisches im Q-T-Diagramm so zu verändern, den Strom des dem Wärmeübertrager zufließenden

daß ein zu weites Auseinanderklaffen beider Kurven Hochdruckstickstoffes eingespeist werden,

vermieden wird. _t Die Erfindung wird durch zwei Zeichnungen ver-

Es wurde nun ein Verfahren zur Verbesserung des 45 anschaulicht. Es zeigt

Temperaturverlaufs in einem Wärmeübertrager zwi- Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an

sehen hochgespanntem Stickstoff und aus dem Kopf Hand eines Verfallrensschemas,

einer Waschsäule abgezogenem Wasserstoff-Stick- F i g. 2 das gemäß der Erfindung verbesserte Q-T-

stoff-Gemisch bei der Herstellung von Ammoniak- Diagramm.

synthesegas gefunden, bei dem der Stickstoff verflüs- 50 Bei dem in F i g. 1 dargestellten Verfahren treten

sigt und als Waschflüssigkeit auf die Waschsäule auf- 4640 kMol/h des zu reinigenden, im wesentlichen aus

gegeben wird, indem ein Teil des Hochdruckstick- Wasserstoff bestehenden Rohgases unter einem Druck

stoffes nach der Vorkühlung in einer Expansions- von 43 ata und einer Temperatur von 59° C durch

maschine bis auf eine Temperatur nahe an der Sätti- Leitung 1 in den Wärmeübertrager 2 ein. Danach ge-

gung und auf einen Druck, der wesentlich unter dem 55 langt es in die Waschsäule 3, wo ihm von oben durch

Druck der Waschsäule liegt, arbeitsleistend expan- die Leitung 4 aufgegebener Waschstickstoff entgegen-

diert, gegen den verdampfenden, verunreinigten rieselt. In der Waschsäule 3 werden die Verunreini-

Waschstickstoff verflüssigt, anschließend mit einer gungen, im wesentlichen Kohlenmonoxid, Argon und

Pumpe auf den Druck der Waschsäule gefördert und Methan, ausgewaschen und zusammen mit dem

mit dem weitergekühlten restlichen Hochdruckstick- 60 Waschstickstoff als verunreinigte Waschflüssigkeit

stoff zum Waschstickstoff vereinigt wird. durch Leitung S vom Sumpf der Waschsäule abge-

Nach der Erfindung wird die Verbesserung da- zogen.

durch erreicht, daß einem Teil des aus der Wasch- Vom Kopf der Waschsäule 3 wird durch Leitung 6 säule entweichenden Wasserstoff-Stickstoff-Gemi- 4874 kMol/h reines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch sches, bevor es in einem Wärmeübertrager in Wärme- 65 als Produktgas abgezogen. Dieser Gasstrom wird aufaustausch mit Hochdrucksvickstoff gebracht wird, geteilt. Ein Teil, 4470 kMol/h, gelangt durch Lei-Stickstoff bei einer Temperatur unterhalb der kriti- rung 7 zurück in den Wärmeübertrager 2 und verläßt sehen Temperatur von Stickstoff zugemischt wird. ihn mit einem Druck von etwa 41,3 ata und einer

Temperatur von etwa 62" C. Anschließend wird ihm durch Leitung 8 gasförmiger Stickstoff vom Stickstoffkompressor 9 in einer solchen Menge zugemischt, daß ein für die Ammoniaksynthese geeignetes Gemisch aus Wasserstoff und SUvkstoff entsteht.

Der andere Teil des Produklgases, 404 kMol/h, strömt durch Leitung 10 in den Wärmeübertrager 11 der Produktgasseite. Diesem Teilstrom wird erfindungsgemrJJ bei einer Temperatur unterhalb 140" K Stickstoff mit einer Temperatur unterhalb der kritisehen Temperatur von Stickstoff entweder über Leit-ing 12 oder über Leitung 13 zugemischt. Beide Produktgasströme werden zum Schluß wieder vereinigt und strömen durch Leitung 14 unter einem Druck von 40,5 ata und mit einer Temperatur von 30" C zur Ammoniaksyntheseanlage,

Der WaschstickstofT kommt ebenfa'ls vom StickslofTkompressor 9 in die Anlage und wird durch Leitung 15 von· der Leitung 8 abgezweigt. Er gelangt in den Wärmeübertrager Sl, in dem ein Teil dieses Ikichdi'Ui'kstii.k<>U)ITcs duich Leitung 16 abgezweigt wird.

Der abgezweigte Teilstrom wird in der Turbine 17 arbeitsleistend entspannt und im Wärmeübertrager 18 gegen drucklos verdampfenden verunreinigten WaschstickstolT verflüssigt, der durch Leitung 5 aus dem Sumpf der Waschsaule abgezogen wird und im Drosselventil 19 auf geringen Überdruck entspannt wird. Der verflüssigte Stickstoff wird mit der Pumpe 20 auf den Druck der Waschsäule 3 gefördert und durch Leitung 4 auf diese aufgegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Teil dieses Stickstoffes von Leitung 4 abgezweigt und mittels Leitung 12 dem Produktgas in Leitung 10 zugemischt. Die Leitung 12 ist strichpunktiert dargestellt, um anzudeuten, daß es auch noch andere Möglichkeiten zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt. So kann z. B. auch über Leitung 13 Stickstoff zugemischt werden. Es handelt sich dabei um einen Teilstrom des Hochdruckstickstoffes aus Leitung 15, der den gesamten Wärmeübertrager 11 durchläuft und über das Drosselventil 21 in den Produktgasstrom in Leitung 10 entspannt wird. Der restliche Hochdruckstickstoff wird durch Leitung 22 und Drosselventil 23 mit d:m flüssigen Stickstoff in Leitung 4 vermischt.

Zur Kälteerzeugung ist ein Stickstoff-Kältekreislauf vorgesehen. Dazu wird von dem in der Turbine 17 arbeitsleistend entspannten und dadurch abgekühlten Stickstoff mittels Leitung 24 ein Teilstrom abgezweigt, in den Wärmeübertrager zurückgeführt, mit dem Verdichter 25 rückverdichtet und dem Hochdruckstickstoff in Leitung 15 wieder zugeniischt.

In F i g. 2 ist schematisch der Einfluß des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Q-T-Diagramm dargestellt. An der mit A bezeichneten Stelle bei etwa 125° K findet die Einspeisung des flüssigen Stickstoffes in den Produktstrom statt. Dadurch wird eine Abkühlung erreicht und verhindert, daß sich die Erwärmungskurve α des Produktstromes mit der Abbei ·*»»«.

und 12 bzw. 13 hängen voneinander ab die Große to Tdktrom« in Leitung 10 ist innerhalb gewisser Grenzen beliebig. Es ist möglich, den gesamten Produktgasstrom durch den Wärmeübertrager 11 /u leiten.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung des Temperaturverlaufs in einem Wärmeübertrager zwischen hochgespanntem Stickstoff und aus dem Kopi einer Waschsäule abgezogenen Wasserstoff-Stiel iioIT-Gciiiii.ch bei der Herstellung von Ammoniak ■ synthesegas, bei dem der Stickstolf verflüssigt un.i als Waschflüssigkeit auf die Waschsäule aufgcuc ben wird, indem ein Teil des Hochdruckstickstoffs nach der Vorkühlung in einer Expansions maschine bis auf eine Temperatur nahe der Sättigung und auf einen Druck, der wesentlich unter dem Druck der Waschsäule liegt, arbeitsleisteiu! expandiert, gegen den verdampfenden verunreinigten WaschstickstofT verflüssigt, anschließend mit einer Pumpe auf den Druck der Waschsäule gefördert und mit dem weitergekühlten restlichen Hochdruckstickstoff zum Waschstickstoff vereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einem Teil (10) des aus der Waschsäule entweichenden Wasserstoff-Siickstoff-Gemisches, bevor es in einem Wärmeübertrager (11) in Wärmeaustausch mit Hochdruckstickstoff gebracht wird, Stickstoff bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur von Stickstoff zugemischt wiru.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß tin Teil (12) des arbeitsleistend expandierten, verflüssigten und mit der Pumpe

(20) auf den Druck der Waschsäule (3) geförderten Stickstoffs dem zurückströmenden Teil des Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch L dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (13) des weiter gekühlten Hochdruckstickstoffes über ein Drosselventil

(21) dem zurückströmenden Teil des Wasserstoff-Gemisches zugemischt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (24) des arbeitsleistend expandierten Stickstoffes in Kreislauf durch den Wärmeübertrager (11) geführt und über einen Verdichter (25) wieder in den Strom des den Wärmeübertrager (11) zufließenden Hochdruckstickstoffes (15) eingespeist wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen