DE2714968A1 - Verfahren und anlage zur gewinnung von ammoniak und schwerem wasser - Google Patents
Verfahren und anlage zur gewinnung von ammoniak und schwerem wasserInfo
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- C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
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Description
P.
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 erzeugtem Wasserstoff und Stickstoff in einer Syntheseanlage gewonnen wird und eine Teilmenge
des angereicherten Wassers zu schwerem Wasser aufkonzentriert wird, wobei weiterhin während der Wintermonate eine Ueberschussmenge 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.
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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 V/asser
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 Ueberschussmenge 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 Schwerwassergewinnungs·
anlage während der Wintermonate ebenfalls ausser Betrieb ist, da kein Wasser als Einspeisestrom in die Isotopenaustauschanlage
Verfügung steht.
Ausserdem müssen der bzw. die Isotopenaustauschtürme sowie die
Elektrolyseinrichtung für entsprechend grössere Durchsatzmengen dimensioniert werden, da diese Einrichtungen nur während eines
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Teiles des Jahres, z. B. während sechs Monaten in Betrieb sind.
Aus diesem Grunde weist die vorstehende Anlage wesentlich Nachteile
in wirtschaftlicher Beziehung auf.
Die Erfindung hat sich die Beseitigung dieser Mangel zum Ziel gesetzt,
d. h. mit Hilfe der Erfindung soll ein Verfahren bzw. die Ausbildung einer Anlage ermöglicht werden, die die kontinuierliche
Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser auf wesentlich wirtschaftlichere Weise als bisher gestatten.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass während der
Wintermonate die Elektrolyseeinrichtung ausser Betrieb gesetzt wird und Wasser gespeichert wird, welches in einer monothermen
Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereichert und während der Sommermonate elektrolytisch gespalten wird.
Eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens besteht nach der Erfindung darin, dass zwischen der Einspeisestelle für angereichertes
Wasser in die Schwerwassergewinnungsanlage und der Elektrolyseeinrichtung ein Speicherbehälter für angereichertes
Wasser angeordnet ist.
In der Zeichnung ist in einem Fliessschema eine Ausführungsform
einer erfindungsgemässen Anlage dargestellt.
Die Betriebsweise der Anlage erfolgt während der Sommermonate in der nachstehenden Weise:
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Durch eine Leitung 1 wird Frischwasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration
(IN) in die Anlage eingeleitet. Mit Hilfe der Pumpe wird das Wasser auf den erforderlichen Druck der monothermen
Isotopenaustauscheinrichtung gebracht und durchströmt sodann einen
Austauschturm 3 dieser Einrichtung. Im Austauschturm 3 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 Kompressois -1 in
einem Kreislauf durch die Austauschtürme 3 und 5 gefördert, wobei es im Turm 3 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
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 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.
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Die übrige Teilmenge des im Austauschturm 3 angereicherten Wassers, die wesentlich grosser als die in die Schwerwassergewinnungsanlage
eingespeiste Wassermenge ist, wird in den Wasserspeicher 11 eingeleitet und bei geöffnetem Ventil 12 mit
Hilfe einer Pumpe 13 in eine Elektrolyseeinrichtung 14 gefördert.
Durch eine Leitung I1 wird während der Zeit, in der die Elektrolyseeinrichtung
in Betrieb ist, bei geöffnetem Ventil I11 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
angereicherten Wassermenge eine gleich grosse Wassermenge aus dem Speicher 11 iider 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.
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- JT-
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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 den Speicher 15 eingeleitet.
In einer Stickstofferzeugungsanlage, beispielsweise in einer Luftzerlegungsanlage 20 wird die für die Ammoniaksyntheseanlage
erforderliche Menge Stickstoff kontinuierlich während des ganzen Jahres gewonnen. Hierzu wird durch eine Leitung 21 Luft in die
Anlage 20 eingeleitet, der abgetrennte Sauerstoff durch eine Leitung 22 entnommen, während der Stickstoff von einem, von einem
Elektromotor 23a angetriebenen Kompressor 23 in die Synthesegasleitung 24 gefördert wird.
Das im wesentlichen aus Wasserstoff und Stickstoff bestehende Synthesegas wird in einem, von einem Elektromotor 25a angetriebenen
Kompressor 25 verdichtet und in einen Isotopenaustauschturm 26 der monothermen Austauscheinrichtung 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 angereichert, sodann in
einen Tropfenabscheider 27 eingeführt und mittels eines Kompressors 28 in die Syntheseanlage 16 eingeleitet. Das gewonnene Ammoniak
wird in einem Kühler 29 kondensiert und durch eine Produktleitung 30 aus der Anlage weggeführt.
-V-
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Das zweite Zwischenträgermittel wird, nachdem es im Austauschturm 26 an Deuterium angereichert worden ist, in einem Drosselventil
31 entspannt und dann im Austauschturm 5 durch Isotopenaustausch mit dem ersten Zwischenträgermittel an Deuterium verarmt,
anschliessend mittels Pumpe 32 auf den erforderlichen
Betriebsdruck des Austauschturmes 26 gebracht und in diesem
wieder an Deuterium angereichert.
Betriebsdruck des Austauschturmes 26 gebracht und in diesem
wieder an Deuterium angereichert.
Durch eine Leitung 33 wird eine geringe aus Stickstoff, Wasserstoff
und Argon bestehende Teilmenge aus der Anlage weggeführt. Hierdurch wird vermieden, dass sich Argon in der Syntheseanlage
16 anreichert.
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Leerseite
Claims (5)
- P 5035/Sd/hj27U968Patentansρ rti ehe(ΐ\ Verfahren zur Gewinnung von Ammoniak und schwerem Wasser, wobei Ammoniak aus durch elektrolyt is ehe Spaltung von In einer nonothermen Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereicherten 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 Wintermonate eine Ueberschussmenge an elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Wintermonate die Elektrolyseeinrichtung ausser Betrieb gesetzt wird und Wasser gespeichert wird, welches in der nonothermen Isotopenaustauschanlage mit Deuterium angereichert und während der Sommermonate elektrolytisch gespalten wird.
- 2. 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 conotherme Isotopenaustauschanlage, in welcher Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration an Deuterium angereichert wird und eine Anlage zur Gewinnung von schweren Wasser aus einer Telinenge des angereicherten Wassers, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einspeisestelle für angereichertes Wasser in die Schwerwassergewinnungsanlage und der Elektrolyseeinrichtung ein Speicherbehälter für angereichertes Wasser angeordnet ist.709846/0723ORIGINAL INSPECTED27U968
- 3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die monotherae Isotopenaustauschanlage mindestens einen Austauschturm aufweist, In welchen das der Elektrolyseeinrichtung bzw. der Schwerwassergewinnungsanlage zugeführte Wasser mit einem, In einem Kreislauf strömenden dampfförmigen ersten Zwischenträgermedium In Isotopenaustausch gebracht wird, und dass dieses erste ZwI-schenträgermedlum In mindestens einem Isotopenaustauschturm mit einem flüssigen, In einem Kreislauf strömenden zweiten Zwischenträgermedium In Isotopenaustausch gebracht wird, wobei dieses zweite Zwischenträgern^ium In mindestens einem Isotopenaustauschturm mit dem der Ammoniaksyntheseanlage zugefUhrten Synthesegasgemisch in Isotopenaustausch gebracht wird.
- 4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischenträgermedium aus Ammoniakdampf und das zweite Zwischenträgermedium aus flüssigem Ammoniak besteht.
- 5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zwischenträgermedium aus Methylamindampf und das zweite Zwischenträgermediua aus flüssigem Methylamin besteht.709846/0723
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