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Verfahren zur katalytischen Herstellung von Ammoniak mittels kombinierter
Hoch- und Niederdrucksynthese In der Patentschrift 44o 6o7 ist bereits darauf hingewiesen
worden, daß das daselbst beschriebene Kombinationsverfahren zur synthetischen Herstellung
von Ammoniak auch im Kreislauf durchgeführt werden kann. Das Kreislaufverfahren
ist jedoch namentlich bei unreinen Gasgemischen unwirtschaftlich und daher nicht
anwendbar. Dagegen lassen sich auch unreine, wasserstoffreiche Gase, z. B. Kokereiabgase,
an Stelle von Wasserstoff vorteilhaft benutzen, wenn man das Verfahren folgendermaßen
ausführt: Nach der Vereinigung der in der. Patentschrift aq.o 607 unter der Bezeichnung
Hoch-und Niederdruckstrom, im folgenden kurz Kombinationsströme genannt, zur Anwendung
kommenden Gasgemische und nach Entfernung des gebildeten Ammoniaks durch Kondensation
mittels Kühlung gehen die Restgase mit dem Druck der vereinigten Gasströme in das
Niederdruckrohr eines zweiten Kombinationsapparates, während der noch übrige Teil
des Gasgemisches auf irgendeine Art, z. B. mittels einer Gaspumpe, angesaugt und
auf den Druck des Hochdruckzylinders gebracht wird usw. Da der Druck im Niederdruckrohr
der zweiten Batterie annähernd demjenigen im Niederdruckrohr des ersten Systems
entspricht, so wird nur ein Teil des auf Niederdruck entspannten Gasgemisches von
demselben aufgenommen, während der übrige Teil aus den Entspannungsbehältern bzw.
Verfiüssigern mittels einer Gaspumpe dem Hochdruckrohr des zweiten Kombinationsapparates
zugeleitet wird. Hierbei sind die Gasleitungen zwischen Gaspumpe und Hochdruckrohren
derart mit Regulierventilen verbunden, daß auch die Hochdruckrohre der zweiten Batterie
etwa den gleichen Druck besitzen wie diejenigen der ersten Batterie.
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Dadurch, daß man eine Reihe solcher Kombinationsapparate parallel
und hintereinanderschaltet, wobei nach dem jeweiligen Durchgang der Gase durch eine
Batterie die Anzahl der Elemente der nächsten Batterie der zu Ammoniak umgesetzten
Gasmenge entsprechend abnimmt, hat man es in der Hand, die ursprünglich angewandte
Gasmenge bei reinen Gasen restlos, bei unreinen Gasen so weit in Ammoniak umzusetzen,
als dies die fremden Bestandteile des Gasgemisches erlauben, wobei in diesem Falle
das Restgasgemisch nach Durchgang durch das letzte Kombinationssystem entspannt
und z. B. zu wärmetechnischen oder auch anderen Zwecken verwendet wird.
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Diese gleichzeitige Parallel- und Hintereinanderschaltung der einzelnen
Kombinationsapparate kann auf verschiedene Weise erfolgen. Da jedoch in sämtlichen
hintereinanderzuschaltenden Kombinationsapparaten aus wirtschaftlichen Gründen stets
annähernd der gleiche Druck und auch ziemlich die gleiche Gasgeschwindigkeit herrschen
muß, so kann hier insbesondere letzte Bedingung nicht, wie dies bei bereits bekannten
Verfahren geschieht, durch Verringerung des Querschnittes der einzelnen
Kontaktrohre
erfolgen, sondern muß vielmehr dadurch erreicht werden, daß man die Anzahl der hintereinandergeschalteten
Kombinationsapparate von Reihe zu Reihe entsprechend der zu Ammoniak umgesetzten
Gasmenge vermindert.
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Wie bereits erwähnt, kann das Hintereinanderschalten dieser Apparate
bis zur vollständigen Umsetzung des jeweils zur Anwendung kommenden Gasgemisches
erfolgen. Dies wird hauptsächlich dann geschehen, wenn man reine Gase zur Verfügung
hat. In diesem Falle ist es zwecks Aufrechterhaltung von annähernd gleichen Drücken
und gleichen Gasgeschwindigkeiten notwendig, in den letzten Hochdruckrohren Frischgas
aus den Vorratsbehältern anzusaugen.
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Stehen dagegen nur unreine Gase, z. B. Kokereiabgase, für welche diese
Erfindung in erster Linie in Betracht kommt, zur Verfügung, so wird man das Hintereinanderschalten
nur bis zu einer gewissen Grenze durchführen und den Rest des Gases entspannen und
zu wärmetechnischen Zwecken, z. B. zum Eindampfen von Flüssigkeiten undSalzlösungen,
verwenden. Vorstehendes Verfahren eignet sich daher vorteilhaft zur Aufstellung
und Errichtung kleiner Ammoniakanlagen,' da hierbei insbesondere unreine Gase zur
Synthese verwendet werden können, so daß sich die Errichtung einer Wasserstoffanlage,
die ja bekannterweise nur in größtem Umfange rentabel ist, erübrigt. Ein weiterer
Vorteil des neuen Verfahrens gegenüber dem aus der Patentschrift 389 297
bereits bekannten besteht darin, daß die Umsetzung verhältnismäßig großer Gasmengen
rasch und bei ziemlich niederen Drücken und unter Benutzung von nur wenigen Kontaktapparaten
erfolgt, wobei be= sonders in Betracht kommt, daß das gebildete Ammoniak, ohne Absorptionsmittel
zu gebrauchen, in flüssigem Zustande erhalten wird.
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Nachstehende Beispiele mögen das Verfahren näher erläutern: z i. Beispiel
für reine Gasgemische.
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Fünf Kombinationsapparate, wie sie in der Patentschrift 44o607 näher
beschrieben sind, werden parallel geschaltet. Durch die einzelnen Hoch- und Niederdruckrohre
werden je 5o cbm Gasgemisch pro Stunde gesandt. Der Druck im Niederdruckzylinder
beträgt beispielsweise 3oo Atm., derjenige im Hochdruckrohr 6oo Atm. Die Ammoniakkonzentrationen
seien in beiden Systemen bei 3o Atm. Druck etwa 2 Volumprozent. Bei dem ersten Durchgang
des Gasgemisches durch die parallel geschalteten Apparate werden, da bei der Ammoniaksynthese
die Ausbeute an Ammoniak im allgemeinen etwa proportional dem angewandten Drucke
steigt, im Niederdruckrohr bei 3oo Atm. etwa iomal 2 cbm = 2o cbm und im Hochdruckrohr
etwa iomal4cbm= 40 cbm, im ganzen also pro Kombinationsapparat von ioo cbm etwa
6o cbm Gasgemisch umgesetzt, so daß also noch ein Rest von 40 cbm übrigbleibt,@das
sind aus den fünf parallel geschalteten Apparaten Zoo cbm. Diese Restgasmenge geht
nunmehr nach der Vereinigung der Kombinationsströme und nach ihrer Entspannung auf
3oo Atm. sowie nach der Entfernung des gebildeten Ammoniaks durch Kondensation in
die zweite dahintergeschaltete Reihe von Kontaktkammern. Diese Reihe besteht nicht
mehr wie bei i aus fünf Kombinationsapparaten, sondern nur noch aus zwei. Die Gase
gehen auch hier wieder mit etwa der gleichen Geschwindigkeit und annähernd dem gleichen
Drucke durch die einzelnen Kontaktrohre. Während die Gase im Niederdruckrohr mit
dem Druck der vereinigten Gasströme eintreten, werden die Gase für die Hochdruckrohre
mittels Pumpen auf den entsprechenden Druck gebracht. Da in dieser zweiten Reihe
die Gasgeschwindigkeit in den einzelnen Rohren wieder etwa 50 cbm pro Rohr
beträgt, so werden auch hier unter Zugrundelegung von etwa 2 °/o Ammoniakausbeute
bei 3o Atm. Druck im Niederdruckrohr wiederum iomal 2 cbm = 20 cbm und im Hochdruckrohr
iomal q. cbm = 40 cbm, zusammen 6o cbm, das sind in den beiden Apparaten i20 cbm
Gasgemisch, in Ammoniak umgesetzt, so daß noch ein Rest von 8o cbm übrigbleibt.
Diese Menge geht nun in die dritte Reihe, welche nur aus einem einzigen Kombinationsapparat
besteht, wobei zwecks Aufrechterhaltung der ursprünglichen Gasgeschwindigkeit für
das Hochdruckrohr mit der dafür bestimmten Pumpe die fehlenden Gasmengen aus den
Vorratsbehältern angesaugt werden. Der nach diesem. Durchgang, noch verbleibende
Gasrest wird entspannt und nach dem Vorratsbehälter zurückgeleitet.
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z. Beispiel für unreine Gasgemische.
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Die Anordnung der Apparatur ist in diesem Falle die gleiche wie im
Beispiel i, nur wird das Gasgemisch nach dem Durchgang durch die zweite Reihe der
Kontaktkammern entspannt und zu wärmetechnischen oder anderen Zwecken verwendet.
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Es gelingt also nach dem neuen Verfahren, mit einer geringen Anzahl
von Kontaktröhren und bei verhältnismäßig geringer Gasgeschwindigkeit und ziemlich
niedrigen Drücken unter bedeutender Materialersparnis und Ausnutzung der Reaktionswärmen
unter Benutzung von wasserstoffreichen Abgasen an Stelle von Wasserstoff in kurzer
Zeit große Mengen an Gas in Ammoniak überzuführen und dieses gleichzeitig in flüssigem
Zustande zu gewinnen.
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Die Hintereinanderschaltung von Kontaktapparaten bei der Ammoniaksynthese
ist durch das Patent 389 297 bekannt. Sie bietet den Vorteil, daß man mit
verhältnismäßig unreinen Gasen arbeiten kann, weil die Verunreinigungen
sich
nicht anreichern können, wie dies bei einem Kreislaufverfahren, bei dem das Frischgas
in die sich ansammelnden Reste des verbrauchten Gases hineingepumpt wird, der Fall
ist. Jedoch sind bei dem bekannten Verfahren zwanzig bis dreißig hintereinandergeschaltete
Batterien erforderlich, während bei der Vereinigung von Hoch- und Niederdrucksynthese
nach dem vorliegenden Verfahren zwei bis drei hintereinandergeschaltete Batterien
genügen, um zu Ammoniakkonzentrationen von 40 % und darüber zu gelangen. Man erspart
daher eine große Menge Rohrleitungen und Wärmeaustauscher, die zwischen je zwei
Batterien angebracht werden müssen.
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Gegenüber dem Verfahren des Patentes q4.o 607 hat das vorliegende
den Vorteil, daß man unreine Ausgangsgase, insbesondere statt Wasserstoff gereinigte
Kokereiabgase o. dgl., oder verhältnismäßig unreinen Stickstoff und Wasserstoff
verwenden kann, wodurch sich die Gestehungskosten des Ammoniaks bedeutend verringern.