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Verfahren zur vollständigen oder nahezu vollständigen Rückgewinnung
der Kompressionsarbeit bei der Herstellung von Salpetersäure unter Druck Die Herstellung
von Salpetersäure unter Druck weist gegenüber der früher üblichen drucklosen Salpetersäureerzeugung
verschiedene Vorteile auf; sie ermöglicht die Gewinnung erheblich konzentrierterer
Säure und zeitigt große Ersparnisse an Raum- und Materialbedarf. Diesen Vorteilen
steht aber der große Energieaufwand für die Kompressionsarbeit gegenüber. Es wurde
wohl versucht, die Energie der Restgase wiederzugewinnen, dies ist jedoch bisher
nur zum Teil gelungen, indem die Kompressionsarbeit durch die bisherige Energierückgewinnung
kaum zu 40 bis 6o % gedeckt werden konnte. Hierbei ist in Betracht zu ziehen,
daß das Volumen der Restgase infolge des Verbrauches des Luftsauerstoffs und der
Absorption verringert wird und der Wirkungsgrad der Expansionsmaschine und des Kompressors
natürlich kein ,ioo°/oiger ist.
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Man hat bereits den Teil der Wärmeenergie der heißen Stickoxyde, der
nicht zur Vorwärmung des Ammoniak-Luft-Gemisches gebraucht wurde, zur Vorwärmung
der der Expansion zugeführten Restgase verwendet. Hierbei wurden aber die Restgase
nur so weit vorgewärmt, daß deren Energie zur Deckung der Kompressionsarbeit nicht
genügte.
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Es ist nun gefunden worden, daß die Restgase durch die im System vorhandene
Wärme auf eine so hohe Temperatur vorgewärmt werden können, daß sie bei ihrer Expansion
die Kompressionsarbeit innerhalb gewisser Druckgrenzen vollständig oder nahezu vollständig
decken. Erfindungsgemäß werden die in die Expansionsmaschine einzuführeriden Restgase
so hoch vorgewärmt, daß die-Expansionsgase der Expansionsmaschine heiß genug sind,
um in erster Stufe die von der Absorption kommenden Druckgase vorzuwärmen, worauf
dann diese Druckgase in zweiter Stufe im Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen
bis zur gewünschten Höhe aufgeheizt werden. Die zu entspannenden Restgase werden
also erfindungsgemäß auf die Temperatur, deren Höhe durch den jeweils gewählten
Druck, die zu leistende Kompressionsarbeit und die eintretenden Verluste mitbestimmt
wird, ausschließlich mit der im System vorhandenen Wärme in der Weise erhitzt, daß
man sie zunächst mittels der Expansionsgase vorwärmt und sodann mittels der Stickoxyde
auf die gewünschte Hochtemperatur bringt. Hierbei steht die zur Vorwärmung nötige
Wärme mit der erhöhten Temperatur der Auspuffgase immer wieder zur Verfügung, während
die zur Erreichung der Hochtemperatur nötige Wärme den heißen Stickoxyden entnommen
wird. Die Temperatur der heißen Stickoxyde wird hierbei nur
so weit
herabgesetzt; daß sie zur Vorwär= mung des Ammoniak-Luft-Gemisches auf die optimale
Temperatur noch ausreicht.
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Es ist bereits bekannt,- bei der Expansion heißer Gase in Expansionskraftmaschinen
den Wärmeinhalt der entspannten Auspuffgase zur Vorwärmung der Expansionsgase zu
verwerten. Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, bei der Druckabsorption beliebiger
Gase die nicht absorbierten Restgase vor der Expansion durch Wärmezufuhr von 'außen
aufzuheizen; um damit die aufzuwendende Kompressionsenergie 'weitgehend zu bestreiten.
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Gegenüber diesen bekannten Arbeitsweisen enthält das Verfahren gemäß
der Erfindung das unterschiedliche neue Merkmal, daß die nicht absorbierten Restgase
erheblich höher als bisher üblich erhitzt werden. Diese Maßnahme war nicht naheliegend,
da einerseits nicht ohne weiteres anzunehmen war, daß die Abwärme der Auspuffgase
zu einer derart hohen Erhitzung der von der Absorption kommenden Druckgase verwendbar
sein -würde, und da andererseits bei der Einleitung derart hocherhitzter Druckgase
in die Expansionsmaschine mit Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich des Konstruktionsmaterials
und der Schmiermittel, zu rechnen war. Diese Schwierigkeiten werden beim vorliegenden
Verfahren in der nachstehend beschriebener. Weise behoben.
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In der Abb. i ist eine beispielsweise Anordnung einer zur Durchführung
des Verfahrens geeigneten Vorrichtung schematisch dargestellt. -In einer Kolbenmaschine
i wird die Verbrennungsluft auf den erforderlichen Betriebsdruck von beispielsweise
B Atm. komprimiert. Die komprimierte Verbrennungsluft wird im Filter i i sorgfältig
vom Öl befreit und zum Wärmeaustauscher 3 geleitet; unterwegs wird flüssiges
Ammoniak durch eine besondere Dosierpumpe 2 in die Luftleitung eingespritzt. Die-Dosierpuinpe
2 ist mit der Kolbenmaschine i gekuppelt, so, daß ein konstantes Verhältnis zwischen
Ammoniak und Luftmenge gesichert wird. - Das auf 8 Atm. komprimierte und nach Durchstreichen
des Wärmeaustauschers 3 auf etwa 330° vorgewärmte Ammoniak-Luft-Gemisch tritt in
das Oxydationselement 4 ein. Die mit den hier gebildeten Stickoxyden vermischten,
durch die Reaktionswärme auf etwa 85o° erhitzten Gase durchstreichen den Wärmeaustauscher
5 und gelangen, nachdem sie einen Teil ihrer Wärme hier abgegeben haben, mit einer
Temperatur von etwa 425° in den Wärmeaustauscher 3, den sie unter Vorwärmung des
Ammoniak-Luft-Gemisches mit einer Temperatur von etwa z040 verlassen. Im Kühle=
6 werden die Stickoxyde endgültig abgekühlt, das Kondensat abgeschieden und in den
Absorbern 7 oxydiert und in Wasser absorbiert. Die aus dem alkalischen Wäscher 8
mit etwa 25° austretenden Restgase werden im Wärmeaustauscher 9 auf etwa 25o° vorgewärmt,
dann im Wärmeaustauscher 5 auf etwa 78o° erwärmt und hierauf der Expansionsmaschine
i zugeführt. Die aus der Expansionsmaschine mit etwa. 373' austretenden Auspuffgase
werden nach Durchstreichen des Wärmeaustauschers 9 abgeführt. DieVehtile 12 und
13 dienen zur Regelung der Temperatur des Ammoniak-Luft-Gemisches bzw. der Restgase.
Die Leitung 14 und das Ventil 15 dienen zur Einführung des überhitzten Wasserdampfes,
der zur Inbetriebsetzung der 'Kolbenmaschine dient. Das Rückschlagventil 16 verhindert
das Rückschlagen des Dampfes.
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Für die in diesem Arbeitsschema beispielsweise angeführten ungefähren
Temperaturen ist ein Betriebsdruck von 8 Atm. zugrunde gelegt. Die Vorwärmungstemperatur
für das Ammoniak-Luft-Gemisch, die Temperatur der das Verbrennungselement 4 verlassenden
Stickoxyde sowie auch die Temperatur der die Expansionsmaschine verlassenden entspannten
Restgase kann auch bei anderen Betriebsdrücken etwa in der angegebenen Größenordnung
gehalten werden; die dem jeweiligen Betriebsdruck anzupassende Temperatur der in
die Expansionsmaschine einzuführenden Gase kann entsprechend geregelt werden. Die
angedeuteten sonstigen Temperaturen verschieben sich je nach dem gewählten Druck
und nach der dem jeweiligen Druck angepaßten Hochtemperatur; selbstverständlich
kann aber auch für die entspannten Gase eine andere Temperatur zugrunde gelegt werden.
Die Leistungsfähigkeit der Wärmeaustauscher wird den jeweils festgesetzten Arbeitsverhältnissen
angepaßt. Die Anzahl der Wärmeaustauscher, ebenso die Durchleitung der Gase durch
diese kann verschieden kombiniert werden.
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Gemäß obigem Beispiel beträgt der Temperaturabfall der Restgase Ti
- T2 = 780'
--373 ° - 407°. Würde man die Restgase unter sonst gleichen Arbeitsbedingungen
aus dem alkalischen Wäscher 8 dem Wärmeaustauscher 5 unmittelbar zuführen, so würde
Ti bloß 780 - 250 + 25 = 555° betragen. Läßt man ein auf Ti = 555° erhitztes Gas
von 8 Atm. auf i Atm, expandieren, so ergibt sich eine Endtemperatur von 232°, der
Temperaturabfall der Restgase Tl-T2 = 555 -:z3?- würde demnach bloß 323° betragen,
d. h. das Arbeitsäquivalent der in Arbeit umwandelbaren Wärmemenge würde zur Deckung
der Kompressionsarbeit nicht mehr ausreichen.
Infolge der dem vorliegenden
Verfahren zugrunde liegenden hohen Anfangstemperaturen der Restgase treten manche
Schwierigkeiten auf, insbesondere hinsichtlich der Auffindung eines Konstruktionsmaterials,
welches bei allen im Motorenbau nötigen Eigenschaften zugleich genügend hitzebeständig
ist. Ähnlichen Schwierigkeiten begegnet man auch bei der Auswahl des Schmiermittels.
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Bei kleineren Arbeitsdrucken und demzufolge kleineren Anfangstemperaturen
können die geschilderten Schwierigkeiten z. B. durch Benutzung einer Aktionsgasturbine
behoben werden, wobei der vom Spannungsabfall abhängige Temperaturabfall der Gase
bei Austritt aus den Düsen bereits vollzogen ist. Für die feststehenden Düsen läßt
sich ohne weiteres ein genügend hitzebeständiges Material finden. Alle übrigen Teile
.der Turbine sind aber bloß der Temperatur der entspannten Gase ausgesetzt, wobei
die geschilderten Schwierigkeiten überwunden werden können.
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Diese Schwierigkeiten behebt man aber auch durch Heranziehung einer
Kolbenmaschine in der Weise, daß man die Expansion der Restgase und die Kompression
des Luftgemisches für die Verbrennung im gleichen Zylinder ausführt und daß abwechselnd
jeder Expansionsperiode der Restgase eine Kompressionsperiode der Verbrennungsluft
folgt, wodurch eine sowohl für das Konstruktionsmaterial wie für die Schmierung
ausreichend niedrige mittlere Temperatur im Zylinder gesichert wird.
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Eine solche Arbeitsweise läßt sich leicht z. B. im Viertakt ausführen.
Das theoretische Diagramm nach Abb.2 stellt einen solchen Arbeitsvorgang dar.
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Im ersten Hube, vom Punkte A bis B wird die Verbrennungsluft mit etwa
2,o° angesaugt; im zweiten Hube, vom Punkte B bis C wird ein Teil des angesaugten
Luftvolumens ausgeworfen und im weiteren Teile des Hubes die Kompression der Verbrennungsluft
durchgeführt; schließlich wird zwischen den Punkten D und E die komprimierte Luft
in die Druckleitung geschoben. Im ersten Abschnitt des dritten Hubes im Punkte E
beginnt die Einströmung der Restgase. Bis zum Punkte F vollzieht sich die Füllung,
von F bis G die Expansion; vom Punkte C bis B findet die Vorausströmung, von
B bis H der Auslaß statt.
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Wie ersichtlich, entspricht der erste und zweite Hub, außer der Strecke
B-C, einem Kompressionsdiagramm und der dritte und vierte Hub einem normalen Diagramm
einer Expansionsmaschine.
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Das beschriebene Diagramm ist rein theoretisch, praktisch wird das
Arbeitsfeld des Diagramms kleiner. Die gestrichelte Fläche D, F, G, B, C
stellt die positive, die Fläche E, E', D, D' sowie die Fläche H, A, B
die negative Arbeit dar; der Unterschied veranschaulicht den Arbeitsüberschuß zur
Deckung der Verluste.
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Es wird noch bemerkt, daß in den aus der alkalischen Wäsche austretenden
Restgasen nur ganz minimale Spuren von NO, enthalten sind, auch diese werden
bei der angewendeten Hochtemperatur dissoziiert, so daß die nur mehr Spuren von
NO enthaltenden Gase keine Korrosion verursachen.
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Die beschriebene Arbeitsweise kann auch in dem Falle Platz greifen,
wenn die Verbrennung des Ammoniak-Luft-Gemisches drucklos und nur die Absorption
unter Druck geführt wird. In diesem Falle kann die Verdichtung der nitrosen Gase
durch einen für diesen Zweck bereits vorgeschlagenen Turbokompressor vorgenommen
werden, für welchen die Triebkraft z. B. von einer mit den Restgasen in der beschriebenen
Weise betriebenen Aktionsgasturbine geliefert wird.