-
Verfahren zum Betrieb einer mit mittelbar wirkenden Kühlvorrichtungen
versehenen Absorptionskolonne zur Sättigung von starkem Amznoniakwasser mittels
Kohlensäure Die Herstellung von Ammoniumcarbonat und -bicarbonat geschieht nach
einer bekannten und üblichen Arbeitsweise durch Sättigung von starkem Ammoniakwasser
mittels gasförmig zugeführter Kohlensäure, wobei sich in der Regel zunächst eine
Lösung von Ammoniumcarbonat bildet, die nach vollständiger Bindung alles freien
Ammoniaks durch weiteres Zuführen von Kohlensäure in Bicarbonat übergeht, das teilweise
auch noch in Lösung bleiben kann, zum größeren Teil aber wegen seiner Schwerlöslichkeit
in fester Form auftritt. Für die praktische Durchführung dieses Verfahrens ist zu
beachten, daß einerseits die Vereinigung der Komponenten zu der chemischen Verbindung
bei dem schwachsauren Charakter der Kohlensäure und der dadurch beschränkten Affinität,
zumal bei der durch die Gasform bedingten Verdünnung, eine innige und häufige Durchmischung
zwischen Flüssigkeit und Gas nötig macht und daß andererseits die Reaktion mit einer
ansehnlichen Wärmeerzeugung verknüpft ist, welche die Lösung erwärmt und dadurch
die Absorptionswirkung beeinträchtigt. Es ist daher hierbei die Abführung der Reaktionswärme
durch Kühlung ein unumgängliches Erfordernis.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit mittelbar
wirkenden Kühlvorrichtungen versehenen Absorptionskolonne zur weitgehenden oder
vollständigen Sättigung von starkem Ammoniakwasser mittels gasförmig zugeführter
Kohlensäure zu einer Lösung von Ammoniumcarbonat oder teilweise
auch
-bicarbonat, welche die vorerörterten Anforderungen in vorteilhafter Weise erfüllt.
Dabei handelt es sich um eine Absorptionskolonne mit Zuleitung des Ammoniakwassers
oben und der Kohlensäure unten, in deren mittlerer Höhenpartie Abführungen der Lösung
nach mittelbar wirkenden Kühlern hin und weiter über Förderpumpen in die Kolonne
zurück vorgesehen sind. Beispielsweise wird diese Kolonne als eine Glockenbodenkolonne
mit einer größeren Anzahl Böden ausgeführt, auf deren obersten das zur Sättigung
bestimmte starke Ammoniakwasser auffließt, während in ihren untersten Teil gasförmige
Kohlensäure eingeleitet wird. In einer mittleren Höhenpartie, d. h. in einem Abstand
entsprechend einer Mehrzahl von Böden sowohl vom oberen als auch vom unteren Ende
her, wird von einem Boden oder gruppenweise von mehreren übereinanderhegenden Böden
eine Teilmenge der durch die Kolonne rieselnden Flüssigkeit abgeführt, durch einen
mittelbar wirkenden Kühler, etwa einen Röhrenkühler, der mit Kühlwasser beschickt
wird, hindurchgeleitet, dann von einer Förderpumpe aufgenommen und in die Kolonne
auf denselben oder dieselben Böden zurückgeführt. Es können eine oder mehrere solcher
Flüssigkeitsabführungen und Kreisläufe derselben, die in verschiedenen Höhenlagen
der Kolonne übereinander angesetzt sind und je einen Kühler und eine Pumpe enthalten,
vorgesehen werden. Die Zufuhr der Kohlensäure, bezogen auf die Menge und den Ammoniakgehalt
des zugeführten starken Ammoniakwassers, wird so bemessen, daß das Erzeugnis eine
an den entstandenen Ammoniakverbindungen hochkonzentrierte Lösung ist, die aber
noch unterhalb der Sättigungsgrenze bleibt, d. h. noch kein Carbonat oder Bicarbonat
in fester Form ausfallen läßt. Bei mittelstarkem Ammoniakwasser mit etwa 16 bis
2o °/o N H3 kann man, wenn die Abgangstemperatur am Fuß der Kolonne nicht zu niedrig,
z. B. etwa 2o° ist, bis zur Bindung alles Ammoniaks als Carbonät und sogar einer
kleinen Teilmenge von Bicarbonat gelangen. Bei Ammoniakwasser von stärkerem Ammoniakgehalt,
etwa 2o bis 22 % N H" darf man höchstens bis zur Grenze der vollständigen Bindung
alles Ammoniaks zu Carbonat gehen, und bei noch stärkerem Ammoniakwasser muß man
sogar einen Teil des zugeführten Ammoniaks ungebunden lassen, wenn man Salzausfällungen
vermeiden will. Da das Erzeugnis, die Carbonat- bzw. Bicarbonatlösung, in der Regel
nur ein Zwischenerzeugnis darstellt, das anschließend ganz auf Ammoniumbicarbonat
zu verarbeiten ist, macht der mehr oder weniger weitreichende Grad der Absättigung
des Ammoniaks praktisch nichts aus.
-
Die kennzeichnende Umlaufkühlung der Kolonnenflüssigkeit hat besonders
wertvolle Bedeutung gerade für die der Vorrichtung zugewiesene Aufgabe. Es handelt
sich zunächst um eine Reaktion mit erheblicher Wärmetönung. Dies ergibt sich unmittelbar
aus der hierfür gültigen thermochemischen Gleichung
| 2 (NH4) OH -@- x H20 + C02 |
| flüssig flüssig gasf. |
| _ (N H4)2C0s -I- (x + =)H20 -I- 16300 kcal. |
| flüssig flüssig |
Hiernach entfällt also auf x kg-Mol =
96 kg Ammoniumcarbonat eine Wärmeerzeugung
von x63ookcal oder auf x kg dieses Erzeugnisses 17o kcal, das ist gleich der Flüssigkeitswärme
von 1,7 kg Wasser zwischen o und xoo°, also eine verhältnismäßig starke Wärmezusammenballung,
die um ein Vielfaches die sonst bei Gasabsorptionen gewohnte Wärmebildung übertrifft.
Diese frei Werdende Wärme würde, wenn keine Wärmeabfuhr erfolgte, bei Einführung
eines x6%igen Ammoniakwassers eine Temperaturerhöhung der sich bildenden Lösung,
j e nach der Anteilmenge der schon im Ausgangswasser gebundenen Kohlensäure, bis
zu etwa 65° herbeiführen. Die Umlaufkühlung gemäß der Erfindung ist ein äußerst
wirksames, zugleich aber auch sehr vorteilhaftes Mittel, um den größten Teil dieser
Wärmeerzeugung wegzuschaffen. Da wegen dieses Umlaufs die Stromstärke desselben
beliebig groß gewählt werden kann, kann die dadurch herbeizuführende Temperaturerniedrigung
der Lösung auf jedes gewünschte Maß eingestellt werden. Wenn man etwa mehrere solche
Umlaufkühlungen für verschiedene Höhenlagen der mittleren Kolonnenpartie anwendet,
läßt sich eine verhältnismäßig kleine Temperaturabstufung für jede einzelne derselben
anwenden. Da außerdem die durch die Kolonne rieselnde Lösung, wenngleich der chemische
Umsatz zum größeren Teil in den oberen Kolonnenpartien vor sich geht, an den Stellen
ihrer Abführungen in die Umlaufkühlungen erst teilweise mit Carbonat gesättigt ist,
so ist in jedem Fall eine beachtliche Temperaturerniedrigung innerhalb der Umlaufkühlung
möglich, ohne daß Ausfällungen von Salz in Betracht kommen. Sollten trotzdem innerhalb
des mittelbaren Kühlers örtliche Unterkühlungen der Lösung infolge der Anwendung
eines zu kalten Kühlmittels und dadurch örtliche Salzbildungen an den Kühlflächen
auftreten, so werden diese durch den starken Umlaufstrom sofort weggetragen und
an anderen Stellen des Stromes wieder aufgelöst. Hierin zeigt sich besonders eindringlich
der Vorzug der kennzeichnenden Umlaufkühlung gegenüber anderen denkbaren Durchführungsweisen
des Kühlens.
-
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch
die Zeichnung in einer schematisch gehaltenen Aufrißdarstellung erläutert.
-
Die hierzu benutzte Vorrichtung ist eine Absorptionskolonne x mit
beispielsweise 2o Böden, die als Glockenböden, Siebböden oder Böden mit anderen
Verteilelementen, etwa Füllwerksschichten, Rieselungseinbauten od. dgl., ausgebildet
sein können. Diese Kolonne besitzt am obersten Boden einen Zulauf 2 für Ammoniakwasser
und am Fußteil ein Zufuhrrohr 3 für gasförmige Kohlensäure, die beide mit gewöhnlicher
Temperatur zutreten. An der Kolonnenspitze befindet sich das Abgangsrohr q. für
die Restgase und am Fuß der Ablauf 5 für die fertige Lösung. Am 7., g. und ix. Boden,
von oben her gerechnet, sind Abführungen 6, 7 und 8 für Kolonnenflüssigkeit vorgesehen,
in denen Absperrungs- und Regelungsorgane eingebaut und welche an die gemeinsame
senkrechte Leitung g angeschlossen sind. Diese Rohrleitung führt nach einem mittelbar
wirkenden Kühler xo hin, der als Röhrenkühler dargestellt und mit einer Kühlwasserzufuhr
und
-abfuhr versehen ist. Von diesem Kühler aus gelangt die Flüssigkeit durch die Rohrleitung
=i zur Förderpumpe 12, die sie durch die Steigleitung 13 und die Abzweigleitungen
14, 15, i6, die ebenfalls mit Absperrungs- und Regelungsorganen versehen
sind, nach den Kolonnenböden, welche den Abführungen 6, 7 und 8 entsprechen, zurückbringt.
Man kann nun nach Bedarf beliebige der Abführungen 6, 7 und 8, entweder alle oder
nur einzelne, verwenden und dadurch die Kühlwirkung über die Höhe der Kolonne hin
verändern. Innerhalb der Kolonne nimmt natürlich, von der untersten@Abführung bzw.
Rückführung an abwärts gerechnet, die Temperatur der gekühlten Flüssigkeit wieder
zu; da aber der Hauptteil der Reaktion in der oberen Hälfte der Kolonne vor sich
geht, ist diese erneute Zunahme der Temperatur nicht erheblich oder nachteilig.
-
Im übrigen ist es ohne weiteres möglich, noch eine oder mehrere gleich
ausgestaltete Umlaufkühlungen für tieferliegende Böden der Kolonne nach Bedarf vorzusehen,
die gleichartig wie die beschriebene Umlaufkühlung eingerichtetx°sind.
-
Am Kolonnenfuß fließt durch Rohrleitung 5 die erzeugte Lösung von
Ammoniumcarbonat bzw. auch -bicarbonat ab, und durch die Rohrleitung 4 an der Kolonnenspitze
werden die Restgase der Reaktion weggeführt, die teils unausgenutzte Kohlensäure,
teils andere Gase, z. B. den aus dem Ausgangswasser durch die Kohlensäure ausgetriebenen
Schwefelwasserstoff und gegebenenfalls noch andere okkludiert gewesene Gase enthalten.
-
Für den mittelbar wirkenden Kühler =o können beliebige geeignete Bauarten
an Stelle des gezeichneten Röhrenkühlers Anwendung finden. Besonders vorteilhaft
und wirksam sind hierfür die neuzeitlichen Spiralkühler, bei denen durch zwei spiralförmig
ineinandergewickelte zylindrische Platten zwei enge Spiralkanäle mit umfangreichen
Wärmeaustauschflächen für die beiden Flüssigkeiten gebildet und die meistens im
Gegenstrom betrieben werden.