DE2714967C3

DE2714967C3 - Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser

Info

Publication number: DE2714967C3
Application number: DE2714967A
Authority: DE
Inventors: Charles Dipl.-Ing. Dr. Winterthur Mandrin
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1976-05-13
Filing date: 1977-04-04
Publication date: 1982-05-13
Also published as: US4213953A; CH620176A5; FR2351054B1; FR2351054A1; CA1102736A; DE2714967B2; DE2714967A1; 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 angereicherten Wasser erzeugten Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge des angereicherten Wasser zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird.

Aus der GB-PS 8 67 736 ist ein Verfahren bekannt, welches aus einer Kombination der folgenden Prozesse besteht: Ammoniaksynthese, Schwerwassergewinnung, elektrolytische Wasserstofferzeugung und ein monothermer Isotopenaustauschprozeß. Hierbei sind keinerlei Angaben darüber gemacht, auf welche Art der für die Ammoniaksynthese benötigte Stickstoff erzeugt werden soll.

In der Zeitschrift Chernie-Ing. Techn. 34 (1962), Heft 12, Seite 819, ist zwar erwähnt, daß der für eine Ammoniaksynthese erforderliche Stickstoff am wirtschaftlichsten durch Verbrennung eines Teiles des zur Vfrfügung stehenden, elektrolytisch erzeugten Wasserstoffes mit Luft gewonnen wird.

Bei der bekannten Anlage, die nicht mit einer Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser verbunden ist, ist es völlig unerheblich, an welcher Stelle der Anlage hinter der Elektrolyse der Wasserstoff für die Stickstoffgewinnung entnommen werden soll.

Da jedoch die Erfindung einen mit einem Verfahren zur Gewinnung von schwerem Wasser verbundenen Ammoniaksynthese-Prozeß betrifft, wie eingangs beschrieben, liegt der Fall völlig anders, wie an späterer Stelle noch erläutert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand an elektrischer Energie für den Betrieb der Gesamtanlage, der insbesondere während der Wintermonate einen erheblichen Kostenfaktor darstellt, zu senken. Die für die Antriebe der Maschine benötigte elektrische Energie soll mindestens zu einem großen Teil durch eine andere Energiequelle auf wirtschaftliche Weise ersetzt werden. Außerdem soll es die Erfindung ermöglichen, die Schwenvassergewinnungsanlage auf wirtschaftliche Weise zu betreiben, d. h. das in diese Anlage eingespeiste Wasser möglichst hoch an Deuterium anzureichern. Das bedeutet, die vorhandene »Deuteriumsquelle« soll in dem Prozeß möglichst vollständig ausgenutzt werden. Mit anderen Worten heißt das, daß die »Deuteriumsenke« (Ammoniakprodukt) eine möglichst geringe Deuteriumkonzentration aufweisen muß.

Das mit der Erfindung angestrebte Ziel wird dadurch erreicht, daß der für die Ammoniaksynthese «irforderliehe Stickstoff durch Verbrennung einer Teilmenge des elektrolytisch gewonnenen Wasserstoffes mit Luft erzeugt wird, und ein aus Wasser und Stickstoff bestehendes Gemisch entsteht, aus welchem das Wasser als Kondensat gewonnen und von dem Gemisch abgetrennt wird, und der Stickstoff zusammen mit dem durch elektrolytische Spaltung gewonnenen Wasserstoff zur Bildung des Synthesegemisches zusammengeführt wird, wobei <ίιγ Verbrennung Wasserstoff aus der Syntheseanlage verwendet wird und aus dem Konden-

jo sat Ammoniak abgetrennt und das dabei anfallende, an Deuterium verarmte Wasser in die monotherme Isotopenaustauschanlage eingeleitet wird, und daß weiterhin der Kondensator vom Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt wird, dessen Dampfturbine als Antriebsaggregat für die Luftkompression und die Synthesegaskompressoren verwendet wird.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird einerseits erreicht, den Aufwand an elektrischer Energie für den Betrieb der Gesamtanlage dadurch zu senken, daß der Kondensator vom Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt wird, dessen Dampfturbine als Antriebsaggregat für die Luftkornpression und die Synthesegaskompressoren verwendet wird. Eine weitere wesentliche Erkenntnis der Erfindung besteht darin, den für die Stickstoffgewinnung verwendeten Wasserstoff an derjenigen Stelle im Prozeß zu entnehmen, an der der Wasserstoff die geringste Deuteriumkonzentration aufweist, und sodann nach der Verbrennung das auskondensierte Wasser nicht etwa als Abfallprodukt in die Kanalisation abzuleiten, sondern, da dieses Wasser die gleiche niedrige Deuteriumkonzentration wie der Wasserstoff des aus der Ammoniaksynthese entnommenen Synthesegasgemisches aufweist, in die monotherme Isotopenaustauschanlage einzuleiten.

In der Zeichnung ist in einem Fließschema eine Ausführungsform einer 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 3a dieser Einrichtung. Im Aus-

M tauschturm 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, 3/j 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 ι ο 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 aufkonzentriert 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 Austausch turm 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 Γ 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 Elekirolyseeinrichtung 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 bsi 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 enthäl;, 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 Spursn 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 auTirdem 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 natürlicher Deuteriumkonzentration eingeleitet werden würde. Hierdurch 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.

Pas im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehende Synthesegas wird in dem, von der Dampfturbine 3i angetriebenen Kompietsor 34 verdichtet und in einen Isotopenaustauschturm 38 dir monothermen Isotopenaustauschanlage gefördert. In diesem Austauschturm wird das Synthesegasgemisch und die durch die Leitung 9 zugeführte Wasserstoffmenge durch Isotopenaustausch mit einem zweiten Zwischenträgermittel, z. B. flüssigem Ammoniak oder flüssigem Methylamin an Deuterium abgereichert, sodann in einen Tropfenabscheider 39 eingeführt und mittels des Kompressors 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 Austauschturm 38 an Deuterium angereichert

worden ist, in einem Drosselventil 4t 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser, wobei Ammoniak aus durch elektrolytische Spaltung von in einer monothermen Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereicherten Wasser erzeugten Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge des angereicherten Wassers zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Ammoniaksynthese erforderliche Stickstoff durch Verbrennung einer Teilmenge des elektrolytisch gewonnenen Wasserstoffes mit Luft erzeugt wird und ein aus Wasser und Stickstoff bestehendes Gemisch entsteht, an welchem das Wasser als Kondensat gewonnen und von dem Gemisch abgetrennt wird, und der Stickstoff zusammen mit dem durch elektrolytische Spaltung gewonnenen Wasserstoff zur Bildufcg des Synthesegemisches zusammengeführt wird, wobei zur Verbrennung Wasserstoff aus der Syntheseanlage verwendet wird und aus dem Kondensat Ammoniak abgetrennt und das dabei anfallende, an Deuterium verarmte Wasser in die monotherme Isotopenaustauschanlage eingeleitet wird, und daß weiterhin der Kondensator vom Dampf eines Dampfkreislaufes durchströmt wird, dessen Dampfturbine als Antriebsaggregat für die Luftkompression und die Synthesegaskompressoren verwendet wird.